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上海交通大学博l 二学位论文摘要 上海交通大学博士学位论文 基于异步映射的流水线替换策略研究 摘要 随着对于速度和功耗的要求越来越高，高性能微处理器设计变得越 来越复杂。例如，i n t e l 的i t a n i t m a 2 处理器使用了2 2 亿个晶体管，包括 1 1 个功能部件，能够同时发射和提交6 条指令。工作负载也在不停地变 化，从早期以科学计算为主到今天个人桌面应用、服务器事务处理、电 子商务应用和各种嵌入式应用并存。为了保持市场竞争力，功耗、速度 和成本成为微处理器设计的核心要素。 在这种背景下，基于全局时钟的同步电路遇到了前所未有的严峻挑 战，其先天的技术特点使得其在速度和功耗的改进上的空间越来越小。 相反地，异步电路具有低功耗、高性能等一系列相比同步电路的优势， 但其极大的设计复杂度和异步资源的稀缺性严重影响了异步电路的设 计和推广。 本文以同步和异步设计相结合的思路，以流水线作为切入点和研究 方向，提出了基于异步映射的异步流水线设计方法。它通过控制结构替 换，将同步流水线的时钟替换成异步控制的握手信号，流水线的其他部 分保持不变，从而在提高性能和降低功耗的基础上降低了异步流水线设 计的难度。本文主要的创新和贡献之处包括： 1 提出了用于异步映射的自控式单元，然后提出基于自控式单元 上海交通大学博上学位论文摘要 的流水线模型，并证明了异步映射能够在保证流水线功能的前提下保证 流水线的性能，对异步流水线的性能同时进行了描述和分析。 2 在异步映射方法的基础上，三种类型流水线，即简单结构流水 线、复杂结构流水线和门控信号控制的流水线的替换策略被提出并进行 研究，并对简单结构流水线的异步映射自动化进行了尝试。 3 为了实现异步替换，提出了基于异步映射的流水线前端替换流 程。前端流程最大的优点为规避了异步综合步骤，降低了设计者进行异 步设计和门槛和复杂度。通过在前端设计的前半阶段采用同步设计，而 在同步网表上进行异步控制单元的替换，并利用同步综合得到的时序约 束进行延迟网络的生成，降低了设计复杂度和异步设计的入门门槛。 4 简单流水线的2 4 位流水线、基于a r m 指令集的超标量复杂流 水线和门控信号控制的流水线分别被用前端替换流程实现，以此证明异 步映射的可行性和可靠性。其中简单流水线重点在于检验基于自控式单 元的异步映射方法和异步替换流程的正确性；复杂结构流水线的异步替 换重点分析了异步映射下同异步流水线的性能变化；门控型号控制的流 水线主要目的在于检验利用自控式单元替换了门控时钟后的功耗情况。 5 异步流水线的后端实现一向是设计的难点所在，本文专门对此 进行阐述，对一些关键点进行重点分析，并提出异步标准单元和异步处 理器的物理实现流程。在此基础上，2 4 位简单流水线结构的流水线被实 现并进行了功耗分析。 采用异步映射的异步流水线，可以部分或完全避免异步逻辑综合步 骤，降低了异步流水线的实现难度，设计者可以利用现有丰富的同步设 计资源及成熟的e d a 工具进行异步流水线的设计，这将有利于异步电 路的发展。 关键词：异步，异步映射，异步替换，流水线，低功耗 第1 i 页 上海交通大学博上学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho fp i p e l i n er e p l a c e m e n tm e t h o d o l o g yb a s e do na s y n c h r o n o u s r e p l a c e m e n t a b s t r a c t r e q u i r e m e n t sf o rh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rh a v eb r o u g h ta g r e a tc h a l l e n g ef o rm i c r o p r o c e s s o rd e s i g n t o d a y ，i t a m i u m 2o fi n t e l i n c i n t e g r a t e sa b o u t2 2 0m i l l i o nt r a n s i s t o r sw i t h11 f u n c t i o n a lu n i t sa n dc a n p r e f e t c ha n dl a u n c h6 i n s t r u c t i o n sp e rc y c l e w o r kl o a dh a sa l s oc h a n g e da l o t ，f r o mc a l c u l a t i o n so fs e v e r a ld e c a d e sa g ot ot o d a y so p e r a t i o n si nm a n y a r e a ss u c ha se l e c t r o n i cb u s i n e s sa n de m b e d d e dd e v e l o p m e n t s ，e t c t o a c h i e v es u c c e s si nm a r k e t ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，s p e e da n dc o s th a v eb e c o m e t h ec o r ei s s u e so fm i c r o p r o c e s s o rd e s i g n s y n c h r o n o u s c i r c u i t d e s i g n i sb a s e do ng l o b a lc l o c k s ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e mh a v em a d ei tm o r ea n dm o r ed i f f i c u l tf o rt h e mt ob e i m p r o v e di np e r f o r m a n c ea n dp o w e rc o n s u m p t i o na r e a o nt h eo t h e rh a n d ， a s y n c h r o n o u sc i r c u i th a sm e r i t ss u c ha s l o wp o w e rd i s s i p a t i o na n dh i g h p e r f o r m a n c e ，w h i l et h ei m p a c to fg r e a td e s i g nd i f f i c u l t ya n dt h el a c ko f a s y n c h r o n o u s r e s o u r c e sh a v ea f f e c t e dt h ei m p r o v e m e n to fa s y n c h r o n o u s d e s i g ng r e a t l y t h i sa r t i c l eu s e sb o t ht h es y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sd e s i g n m e t h o d o l o g i e s ，a n dp l a c e se m p h a s i so np i p e l i n ed e s i g n w ep r o p o s ea n a s y n c h r o n o u sp i p e l i n ed e s i g nm e t h o d o l o g yb a s e do na s y n c h r o n o u sm a p p i n g b a s i n go ns t r u c t u r es u b s t i t u t i o n ，a s y n c h r o n o u sc o n t r o ls i g n a l sc a nr e p l a c e 第1 i i 页 上海交通大学博士学位论文a b s t r a c t t h ec l o c k so fs y n c h r o n o u sp i p e l i n ew i t ha s y n c h r o n o u sc o n t r o ls i g n a l s ，s oa s t ob u i l da s y n c h r o n o u sd e s i g nf r o mi t ss y n c h r o n o u s c o u n t e r p a r t b yt h i sw a y ， d e s i g nd i f f i c u l t i e so fa s y n c h r o n o u sc i r c u i t sa r er e d u c e da n dp e r f o r m a n c ea n d p o w e rc o n s u m p t i o na r ei m p r o v e d l i s t e db e l o wa r em a i ni n n o v a t i o n sa n d d e v e l o p m e n t sp r o p o s e di nt h i sa r t i c l e 1 t h i sa r t i c l ep r o p o s e st h eb a s i cc e l l su s e df o ra s y n c h r o n o u sm a p p i n g ， w h i c ha r en a m e ds e l f - c o n t r o lc e l l t h ep i p e l i n em o d e l sb a s e do nc e l e m e n t a n ds e l f - c o n t r o lc e l la r ei l l u s t r a t e d t h e na t h e o r yt h a ta s y n c h r o n o u s p i p e l i n e sc a na c h i e v eh i g h e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ht h e i rc o u n t e r p a r t s i sp r o v e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fa s y n c h r o n o u sp i p e l i n e si s a n a l y z e d s i m p l y 2 ba s e do na s y n c h r o n o u sm a p p i n g ，t h r e et y p e so fp i p e l i n e ，s i m p l e p i p e l i n e ，c o m p l e xp i p e l i n ea n d t h e p i p e l i n ec o n t r o l l e db yc l o c k - g a t i n g s t r u c t u r ea r ep r o p o s e d ，a n dt h e i r r e p l a c e m e n tm e t h o d o l o g i e sb a s e do n a s y n c h r o n o u sm a p p i n ga r ep r e s e n t e d 3 t or e a l i z e a s y n c h r o n o u sr e p l a c e m e n t ，t h i s a r t i c l e p r o p o s e s a f r o n t e n dd e s i g nm e t h o d o l o g yb a s e do na s y n c h r o n o u sm a p p i n g t h eb i g g e s t a d v a n t a g eo ft h i sf l o wi st h ea v o i d a n c et h es t e po fa s y n c h r o n o u ss y n t h e s i s ， a n dt h er e d u c t i o no ft h ed e s i g nd i f f i c u l t yo fd e s i g n e r s 4 a2 4 - b i tp i p e l i n ew i t hs i m p l ep i p e l i n es t r u c t u r e ，ac o m p l e xp i p e l i n e b a s e do ns u p e r - s c a l e rs t r u c t u r ea n da r mi n s t r u c t i o ns e ta n dap i p e l i n e s t r u c t u r ec o n t r o l l e db yg a t e ds i g n a l sa r er e a l i z e dw i t ht h i sf l o wa n dt h e i r p e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d ，i no r d e rt op r o v et h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g n m e t h o d o l o g y w h e r et h eg o a lo ft h es i m p l ep i p e l i n ed e s i g ni st oa s s u r et h e f u n c t i o n a l i t yo ft h ed e s i g nf l o w ，t h eg o a lo ft h ec o m p l e xp i p e l i n ed e s i g ni st o v e r i f y t h a t a s y n c h r o n o u sr e p l a c e m e n tp u t s l i t t l ee f f e c to n p i p e l i n e 第页 上海交通大学博上学位论文a b s t r a c t p e r f o r m a n c e ，a n dt h eg o a lo fg a t e dp i p e l i n ed e s i g ni st op e r f o r mp o w e r e v a l u a t i o n 5 t h ep h y s i c a lr e a l i z a t i o no fa s y n c h r o n o u sp i p e l i n ei sa l w a y sd i f f i c u l t d u et ot h el a c ko fa s y n c h r o n o u se d at o o l s t h i sa r t i c l ep r o p o s e sab a c k - e n d f l o wf o r a s y n c h r o n o u sc e l l a n dc i r c u i td e s i g nb a s e do nt h ee d at o o l s c u r r e n t l yu s e d o nt h eb a s i so ft h ef l o w ，a2 4 一b i tp i p e l i n eb a s e do nt h e s i m p l ep i p e l i n es t r u c t u r ei sr e a l i z e da n da n a l y z e d o nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h ，d e s i g n e r sc a nu t i l i z em a t u r ee d at o o l s a n ds y n c h r o n o u sp i p e l i n er e s o u r c e st od e v e l o pa s y n c h r o n o u sp i p e l i n e s f r e e l y ，w h i c hw o u l db eb e n e f i c i a l t ot h ed e v e l o p m e n to fa s y n c h r o n o u s d e s i g n k e y w o r k s ： a s y n c h r o n o u s ，a s y n c h r o n o u sm a p p i n g ， a s y n c h r o n o u s r e p a c e m e n t ，p i p e l i n e ，l o wp o w e rd e s i g n 第v 页 上海交通大学博上学位论文图片目录 图片目录 图1 1i n t e l 微处理器时钟频率的增长趋势2 图1 - 2i n t e l 微处理器功耗的增长趋势2 图1 3 简单结构流水线示意图“3 图l _ 4 基于锁存器的门控时钟单元”4 图1 5 自循环震荡电路1 2 图l - 6 利用异步握手机制实现同步流水线1 2 图l - 7 捆绑数据协议1 5 图1 8 利用4 相双轨的延迟不敏感通道1 6 图1 - 92 相双轨协议”1 6 图1 1 0c 单元电路结构和逻辑含义1 7 图1 114 级m u l l e r 流水线基本结构1 8 图2 1 自控式基本电路单元2 3 图2 - 2 自控单元信号占空比示意图2 4 图2 3 自控式单元的符号表示2 5 图2 _ 4 基于自控式基本单元的4 级流水线模型2 6 图2 5 异步流水线的参数定义2 9 图2 - 6 基于触发器的同步前向流水线- 3 1 图2 7 基于触发器的自控前向流水线3 2 图2 8 上下沿均可触发的触发器实现方法3 5 图2 9 双沿均可触发的触发器3 5 图2 1 0 基于锁存器的同步前向流水线3 6 图2 1 l 基于锁存器的自控前向流水线3 8 图3 - 1 基于自控式基本单元的合并单元4 7 图3 - 2 基于自控式基本单元的分支单元4 8 图3 3 基于自控式单元的裁决单元4 8 图3 4 基于自控式单元的循环单元4 9 图3 5 基于自控式单元的自生成单元4 9 图3 6 用于4 相协议的边沿脉冲变换单元5 0 图3 7 传统用于流水线控制的门控电路5 2 图3 - 8 用于门控信号控制流水线异步替换的自控式结构”5 3 第x 页 上海交通大学博士学位论文 图片目录 图4 1 基于异步映射的前端设计流程5 7 图4 - 2 一个简单状态机的s t g 5 9 图禾3 标准同步版图设计流程6 l 图4 4 异步流水线后端实现流程6 3 图5 12 4 位流水线结构6 7 图5 - 22 4 位流水线的2 相控制流水线6 8 图5 32 4 位流水线波形图6 9 图5 4i w 流水线结构7 l 图5 5i w 全异步控制流水线7 4 图5 61 w 访问接口控制结构7 5 图5 7d p u 的4 相控制流水线7 5 图5 8 流水线结构示意图7 9 图5 9 用于l l 读时钟和l 2 写时钟的状态机8 1 图5 1 0 流水线控制结构8 2 图5 1 1 流水线结构示意图”8 3 图5 1 2 流水线整体门控信号结构8 5 图6 1 自控式单元的行为级描述9 l 图6 2 自控式单元核心部件标准单元版图9 l 图6 3 自控式单元后端实现的仿真波形图9 2 图6 - 4 反相器的内部延迟和输出延迟”9 5 图6 5 基于简单流水线结构的2 4 位自控流水线版图9 8 图6 - 6 自控流水线和同步流水线的功耗比较9 9 第x i 页 上海交通人学博士学位论文 表格目录 表格目录 表5 - 1 流水线各级延迟分析6 9 表5 2i w 结构流水线参数7 6 表5 3i w s s 一6 流水线模块逻辑综合信息7 6 表5 4 各种流水线的i p c 和指令吞吐率7 8 表5 5 控制信号利用率分布。8 6 表5 - 6 各功能单元的功耗分布8 6 表5 7 采用门控的流水线功耗分析8 7 第x i i 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，一 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王乓 日期：劢口8 年岁月岁。日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名：王姜指导教师签名： 日期：乃。妒年多月另e 1 日期：力口伊年多月力e t 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 性能和功耗是当前衡量微处理器设计成败与否的两个主要指标，而这两者存在 着折衷的关系，即伴随着高性能的往往就是高功耗。在深亚微米的工艺条件下，单 芯片集成的晶体管数越来越多，芯片面积越来越大，很难使用全局时钟同步 ( s y n c h r o n i z e ) 芯片各个部分的操作，因而不可避免的出现了时钟扭斜难以解决、时 钟功耗过大等问题。异步集成电路没有全局时钟，具有低功耗和高电磁兼容性等特 点，再次成为学术界的研究热点【l 】。而异步电路在带来高性能和低功耗的同时也使 得设计复杂度大大提高。 本课题的研究重点在对设计方法的探索，致力于寻找一种同异步结合的异步流 水线设计方法和流程。使得设计者既能够利用同步电路的丰富资源设计出具有异步 电路优点的电路，又能规避异步设计复杂度。 1 1 研究背景 1 1 1 微处理器和流水线 毫无疑问，微处理器对于整个i t 产业来说有着举足轻重的地位，它包括计算机 使用的c p u ( 中央处理器) 、d s p ( 数字信号处理器) 和嵌入式c p u 组成【2 】。随着 制造工艺发展到4 5 n m 以及应用需求的飞速发展，微处理器的速度获得了极大的发 展。根据摩尔定律，处理器的速度每隔1 8 个月翻一番，如图l 一1 所示为i n t e l 公司 的处理器时钟频率增长趋势 3 】。当前，为了进一步提高数据的处理能力，双核、多 核的微处理器正在逐渐成为一种趋势。 se v e 呵， - - - h 一 需嘶 。磷森粕琴? 8 ： 嚣 鬣莲銎 9 ，7 0 蠢1 ，9 8 0 ，j ：嚣。2 1 誓j 图卜ii n t e l 微处理器时钟频率的增长趋势 f i gl - 1t r e n do f t h es p e e do f i n t e lm i c r o p r o c e s s o r s 与微处理器时钟频率一起增长的是芯片的功耗。如图12 所示为i n t e l 公司微处 理器功耗的增长趋势 3 】。从巾可以看出，随着产晶的升级功耗的增加非常显著。而 更为严重的是，用于消费类电了= 的电池容量并没有显著的提高，这使得降低系统的 功耗成为设计者币得不关注的重要问题。 囝1 - 2i n t e l 微处理器功耗的增长趋势 f i 9 1 - 2 t r e n do f t h e p o w e rd i s s i p a t i o no f i n t e l m i c r op r o c e s s o r s 流水线技术 4 1 1 5 是广泛应用在微处理器体系结构中的技术，它大大提高了处理 器核的频率和吞吐率，成为微处理器中虽为重要和有难度的技术之 。下面列举了 * 2 匿 哪吼?；j曼i p 融f 未 剀珊麓料鹾 上海交通大学博：l - 学位论文第一苹绪论 简单流水线、复杂流水线和门控时钟控制的流水线，前两类流水线基本涵盖了目前 业界较为常见的流水线结构，门控时钟控制的流水线则对于低功耗设计具有较大意 义。随后将对这三种流水线进行详细阐述，并分别提出异步替换的方法。 1 简单流水线 简单流水线并没有一个明确的定义，一般把符合如图1 3 所示结构的流水线称 为简单结构流水线，简称简单流水线。 图1 - 3 简单结构流水线示意图 f i g 1 3d i a g r a mo fs i m p l ep i p e l i n e s 一般来说，简单流水线没有很复杂的回馈操作，如跳转( b r a n c h ) 、条件转移和分 支运行等，仅仅按照顺序的方式组织指令的运行。这种流水线一般仅支持单指令操 作，读写内存的命令比较简单，也不存在明显的资源或指令冲突。总之，简单流水 线是最简单的一种流水线结构，也是所有流水线的基本模型。 研究简单流水线，总结它的基本性能指标和结构特点，对于研究其他更为复杂 的流水线结构是十分必要的。 2 复杂流水线 顾名思义，复杂流水线指的是支持复杂操作的流水线。目前业界尚没有针对复 杂流水线的明确的定义，本文所提到的复杂流水线指的是支持复杂的内存操作和反 馈类控制指令，可以为程序员提供更加灵活的指令集和更高的效率的流水线结构。 相对于简单流水线，复杂结构流水线是业界主流微处理器所通常采用的一种结构。 复杂流水线的设计难度较高，而且采用复杂结构流水线的微处理器都有其各自的特 点，往往很难统一的进行分析。根据并行度的不同，复杂流水线分为超标量流水线 和标量流水线；根据指令集的不同，复杂流水线分为精简指令集( p d s c ) 和复杂指令 集( c i s c ) 。本文将在随后篇幅中对基于a r m 指令集的超标量流水线结构进行分析。 3 门控时钟控制的流水线 上海交通人学博士学位论文第一覃绪论 时钟门控技术被广泛应用于同步电路的低功耗设计中【6 】。通过将时钟信号与控 制信号作与，在缓冲器和寄存器上无用的控制信号翻转可以被消除，也就是说，芯 片的实际翻转频率被降低，这带来了动态功耗的节省。目前常用的门控时钟结构如 图1 4 所示。从图中可以看到，由于只有当s r c _ c l k 的下跳沿时c l k _ e n 才能传到与门 的输入端，当c l k _ _ e n 由l 变为o 时，不会使d s l c l k 随之发生变化，这相当于c l k _ e n 信号被锁了半个周期，生成的d s l c l k 信号将不会出现控制信号完整性的问题。 图1 - 4 基于锁存器的门控时钟单元 f i g 1 - - 4g a t e d - c l o c ks t r u c t u r eb a s e do nl a t c h 采用门控技术控制的流水线是目前较为常见的一种流水线结构。即在指令或资 源冲突时通过关闭需要控制的流水级的控制信号来使流水线内的所有信号翻转停 止，以达到降低动态功耗的目的。 1 1 2 同步电路 同步电路是一种基于全局时钟的数字电路设计方法，所有时序电路模块的时序 由一个总体的时钟统一控制；时序模块间的组合逻辑模块在一个时钟的有效跳变沿 到来后开始工作，在下一个有效跳变沿到来之前完成工作。7 0 年代后，同步设计因 为概念简单、设计方便，逐渐成为数字电路设计的主流方案。 9 0 年代初期，同步电路设计仍然占据着数字集成电路设计领域的主导地位，但 是由于电路设计规模的扩大和生产工艺的限制，原先可以忽略的互连线之间的延迟、 第4 页 上海交通大学博十学位论文第一章绪论 时钟树的负载等已经变得越发突出。高性能和低功耗的需求使得设计方法上也面临 着很多难以解决的问题( 比如，时钟扭斜问题) 【7 】。 ( 1 ) 全局时钟带来的功耗增加 为了平衡同步电路的时钟，一般采用时钟树( c l o c kt r e e ) 的方法。这一方法使得 大量的负载和缓冲器件被添加到电路中，使得电路面积增加的同时使电路需要承受 这些器件翻转时产生的动态功耗。据统计，时钟负载在p e n t i u m 4 处理器中占据了整 个时钟周期的l o ；而在一些基于标准单元库( s t a n d a r dc e l ll i b r a r y ) 的a s i c 设 计上甚至会达到3 0 8 】。门控时钟( g a t e dc l o c k ) 技术可以通过关闭处于空闲状态 的时钟节省动态功耗，但是对于翻转频率越高的时钟效果越小，而且不能节省在时 钟负载上的功耗。 ( 2 ) 时钟带来的性能损失 在同步电路中，时钟带来的性能损失表现在两个方面。首先，电路的性能取决 于其最大逻辑延时( w o r s tc a s e ) 。也就是说，最差的局部电路的性能决定了整体电路 性能，即所谓的“短板效应 。其次，伴随着时钟出现的还有时钟抖动( c l o c k j i t t e r ) 、 时钟扭斜( c l o c ks k e w ) 等，这些都会对性能产生不利的影响。 ( 3 ) 随着制造工艺提升带来的新问题 采用时钟控制的电路按照时钟的“节拍工作，每个节拍往往带动很多寄存器 或组合逻辑同时开始工作，这就使得瞬时的功耗和电流出现极大值。对于0 1 3 u m 及以下的制造工艺来说，线间距的变小使得信号之间的相互影响越来越明显 9 】。 随着而来的是电迁移m ) 和信号完整性效应( s i ) 等一系列问题，给芯片的物理实现 提出了新的难题。 由此可见，同步电路在推动集成电路产业迅速向前发展的同时也给设计者提出 了一系列新的问题和考验，并且随着工艺和消费需求的提升这些问题越来越难以回 避。这时，异步电路设计方法重新引起了设计者的重视。 第5 页 上海交通大学博七学位论文第一章绪论 1 1 3 异步电路 单从控制信号来看，异步电路是和同步时钟相反的一类电路结构。它不是采用 同步的时钟信号来进行控制，而是采用握手协议的通信方式进行异步控制信号的传 输。 与基于全局时钟的同步电路相比，异步电路具有以下几个较大的优势。 ( 1 ) 无时钟扭斜 时钟扭斜是由于时钟信号到达片上不同部分延时不同造成的。因为异步电路没 有全局时钟，时钟扭斜的问题可以被忽略。与此相反的，同步系统经常会由于时钟 扭斜的原因不得不降低时钟频率。随着芯片尺寸的减小和对性能要求的提高，这个 问题愈来愈严重。 ( 2 ) 低功耗 传统同步电路的时钟在电路处于空闲状态下也要翻转。与之相对应的是，尽管 异步电路往往在数据计算通路上需要比同步电路更多的晶体管，但它们仅仅在工作 的时候翻转。而且异步电路可以在零功耗无数据状态与最大吞吐状态之间迅速切换， 不需要任何辅助。 ( 3 ) 由平均状态决定的性能 同步电路需要等待最慢的电路结束工作，也就是说，它的性能是由最慢电路在 最恶劣情况下的性能决定的。异步电路系统能够感知每阶段工作的完成，显示了它 的性能由平均情况的性能来决定。对于类似于r i p p l e - c a r r y 加法器这种极限情况远 远慢于平均情况结构的电路来说，这种性能的提升是显著的【9 】。 ( 4 ) 更好的技术移植前景 很多集成电路设计在其生命期中要经历多次不同技术流片。早期作品可能是标 准单元库结构而后期会被半定制或全定制电路结构取代。同步电路需要对整个芯片 进行重新设计来获得更好的性能。而因为异步电路的性能取决于当前工作的部分， 只对局部进行调整即可。 第6 页 上海交通大学博上学位论文第一苹绪论 ( 5 ) 更好的交互性 在同步电路中，保证相互独立或来自片外的信号同步的部分极易受亚稳态的影 响【1 0 】。亚稳态是一种介于0 和1 的状态，会导致系统处于不稳定状态中无限长时 间 1 h 。大部分异步电路可以依靠反馈信号等待一段电路足够长的时间来结束，拥 有更好的健壮性。另外因为异步电路没有时钟，对片外信号的敏感度也不如同步电 路那么强烈。 ( 6 ) 对物理特性更好的适应能力 一个电路的延迟受到多个物理因素的影响，如制造工艺、温度和电压等。同步 电路通过设定最坏工作条件的方法来将所有最恶劣的因素组织起来，从而为芯片提 供性能保证。异步电路可以根据物理因素自行调整延迟网络，所以可以方便的运行 在现有的物理条件下。c m o s 电路仅仅在开关时产生电流，而同步电路的时钟使电 路同时开关，造成很大的瞬时电流，这样就产生了很强的电磁干扰。而且，时钟的 固定周期使这些能量集中在时钟基波和其谐波附近的很窄的频谱范围内。异步电路 的每个单元在收到其他部分的输入信号后才开始工作。这样，电路中没有类似同步 电路在特定时刻上的大电流瞬时值，仅仅产生一些在时间上分布的小电流峰值，辐 射功率也小。而且，电路的工作没有锁定在一个固有的频率上，使辐射功率不会集 中在特定的窄带频谱中，而是大范围均匀分布。 ( 7 ) 全局时间效应 在例如同步微处理器的系统中，系统时钟和系统性能由关键路径决定。因此， 电路的绝大部份区域需要被精心的优化以得到最高的时钟频率，甚至包括很少用到 的部分。而因为异步电路的速度由当前运行的电路路径决定，很少用到的部分不需 要被优化，从而不会对系统性能产生影响。 ( 8 ) 模块化特性突出，在设计复杂电路时具有内在的灵活性。用同步方式设计 的电路模块在互相连接组成较大电路系统时，因为系统时序受整体时钟的控制，往 往需要在模块内部进行时序调整或重新进行时序设计。异步电路则使用握手信号进 行模块内部与模块间的通信，采用相同握手协议的电路模块可以方便地直接互连， 第7 页 上海交通大学博卜学位论文第一苹绪论 1 n 皇皇皇舅曼曼曼鼻皇曼曼皇量曼曼皇量鲁曼曼曼皇曼蔓曼蔓皇量曼舅舅皇舅蔓曼量量量舅量曼量舅舅皇量置量曼曼曼量曹皇量曼曼量量舅舅曼曼量曼曼曼一 组成较大的电路系统，不需要重新进行时序设计；系统中模块在不改变接口协议的 条件下，可以独自进行优化而不会影响到系统行为与系统时序。 由于同步时钟在高性能电路中的种种负面影响，使得采用异步电路进行时序控 制的设计方法自然的又回到了设计者的思路中来。 当前，虽然异步电路的优势已重新得到认可，但过高的设计难度仍阻碍了其大 规模开发和应用，这主要包括以下三点。 一是没有较为成熟的e d a 工具。超大规模集成电路设计的一个重要特征是e d a 工具的广泛应用，同步集成电路的e d a 工具已经相当成熟，而异步集成电路设计 的工具仅仅局限于某些部分的算法研究和自动化。目前业界知名厂商( 如m m 、 p h i l i p s ) 等有自己较为成熟的e d a 工具，但出于商业利益的考虑尚未公开；业界主 流的e d a 提供商( 如s y n o p s y s 、c a d a n c e ) 等的e d a 工具主要支持基于时钟的同 步设计。 二是缺乏成熟的设计和实现流程。现有的异步集成电路的设计方法，大部分是 针对集成电路中某些局部问题的解决方法。对于整个芯片的异步设计和实现基本上 停留在全定$ 0 ( f u l lc u s t o m ) 的阶段，开发周期长而且对设计者的要求高。 以上两点原因决定了这使得异步设计的入门门槛比较高，异步电路铁别是异步 微处理器在当前更多地处于研究性阶段和定制设计阶段。虽然有小范围的应用，但 是仍难以撼动同步电路这一成熟的电路设计方法。 1 2 相关研究工作 从本质上来说，世界上所有的信息交互都是在异步状态下进行的。集成电路设 计之初，也并没有同步和异步的区别，研究的重点在于“m e c h a n i c a lr e l a y c i r c u i t s 【1 2 。只是人们为了设计的方便，按照一定的设计约束创造出了芯片上的 局部同步环境，从而达到降低设计难度和成本的目的。 第8 页 上海交通大学博上学位论文第一章绪论 1 2 1 异步电路和异步微处理器设计的历史和现状 异步电路的发展始于上世纪5 0 年代。异步电路的研究开始是从分析时序电路的 输入约束条件开始的，这也是当时开关理论研究领域中的一部分。h u f f m a n t 2 首先 指出，为了使一个时序电路能分辨出输入的变化，要求这个电路的输入信号之间必 须有一个最小的时间间隔。也就是说，存在两个时间段d l 和d 2 ，其中d l d 2 。当 输入信号之间间隔小于d 1 时，不能被电路分辨出来；当间隔大于d 2 时，才可以分 辨；当间隔大于d 1 而小于d 2 时，会导致时序电路功能的不确定。基于这种分析出 现的一类电路形式称为h u f f m a n 电路。同一时期，m u l l e r 1 3 提出了完成信号的概 念，即对于异步电路，只有在完成信号有效后，输入信号才允许发生变化并使控制 有效。基于这种概念的电路称为m u l l e r 电路或m u l l e r 流水线【1 4 】，是安全性能够得 到保证的电路结构。h u f f m a n 和m u l l e r 的先导工作，激发了开关电路用于异步电路 的广泛研究。其中，u n g e r 1 5 的工作是最有创造性的。他给出了设计单输入变化异 步时序电路的详细方法，并提出多输入变化电路设计时，需要考虑的一些因素。他 的工作对随后异步电路的实用化产生了很大的影响。 6 0 年代到7 0 年代中期，一项有价值的开创性工作来自c h u c ks e i t z 。他提出了 使用p e t r i 网设计和分析异步电路的方法。他的工作促成了世界上首台异步d a t a f l o w 计算机和包含异步硬件的商用系统叫v a i l s s u t h e d a n d l d s 一1 ( 首台专用图形计 算机) 的出现【1 6 】。另外m a c r o m o d u l ep r o j e c t 的完成有力地证明了异步电路模块化 的特性给系统设计带来的方便。 7 0 年代后期到8 0 年代，由于工艺技术的发展，数字集成电路的设计规模从l s i 向