（控制理论与控制工程专业论文）基于petri网的异步电路设计研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 异步电路由于没有全局时钟，与同步电路相比具备更好的可移植 性、可以避免时钟偏斜、潜在的高性能以及低功耗等优势。异步电路 设计技术也成为了一个研究热点，预计异步设计方法将会慢慢的替代 现有的同步设计技术，成为业界的主流设计方法。p e t r i 网呈现出了用 于描述异步系统所需要的行为特性，如因果性、并发性、互斥性和冲 突性等。所以p e t r i 网可以非常方便的对异步电路进行描述。通过对 网变迁的合理解释，p 嘶网既可以用于高级行为级描述又能对基于事 件驱动和基于电平的电路进行低级的结构描述。s t g 是常用于描述异 步电路行为特性的一类p e t r i 网。s t g 具有强大的描述和建模能力， 通过信号跳变的情况来描述各事件之间的相互关系，从而来捕获系统 的行为特征，所以s t g 能够代表一个异步控制电路的行为特性。 p e t r i 母是一个支持基于p e t 订网设计异步电路的e d a 软件，其操作简 单功能强大，可以通过这个软件设计出速度无关异步电路。 本文首先对异步电路及设计方法进行全面的介绍和总结：异步电 路的定义、异步电路的主要电路模型和异步电路的主要设计方法。并 且主要研究p e t r i 网在异步电路设计中的重要意义，研究基于信号转 移图( s i g n a l1 h n s i t i o ng 瑚【p h s ，s t g ) 与p e t d 矽的异步电路设计。最 后本文通过研究s t g 的建模方式，使用s t g 来描述一些基本的异步 电路构建块，并通过p e t r i 矽软件进行综合优化并得出其电路实现。 关键词：异步电路、p e t r i 网、状态转移图、p e t r i t y 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t hs y n c h r o n o u sc i r c u i t ，a s y n c h r o n o u sc i r c u i th a ss o m e a d v 砌a g e s ：b e t t e rt e c l l i l o l o g ym i g r a t i o np o t e n t i a l ，n oc l o c ks k e w ，a v e r a g e c a s ei n s t e a do fw o r s t c a s ep e r f o r m a n c e ，l o w e rp o w e ra n ds oo n r i g h t n o w ，t h er e s e a r c ho na s y n c h r o n o u sc i r c u i td e s i g nt e c h n o l o g yi sv e 巧h o t a n dm a n ys c h o l a r sh a v ef o r e c a s t e dt h a ta s y n c h r o n o u st e c h n o l o g yw i l l t a k et h ep l a c eo fs y l l c h r o n o u st e c h n o l o g ya n db e c o m et h em a i nd e s i g n m e t h o di nt h ei n d u s t 拶i nt h e向t u r ep e t r in e t s p r o v i d ea r a r e c o m b i n a t i o no ff e a t u r e st h a ta r ee s s e n t i a l i na s y n c h r o n o u sc i r c u i td e s i g n ， s oi ti sc o n v e n i e mt od e s c r i b ea n dd e s i g na s y n c h r o n o u sc i r c u i ts y s t e m p e t r in e tc a nn o to n l yu s ea sh i g hd e g r e eb e h a v i o rd e s c r i p t i o no fa n a s y n c h r o n o u sc i r c u i ts y s t e m ，b u ta l s oa sl o wd e g r e es t l l j c t u r ed e s c r i p t i o n o fs y s t 锄s t g ( s i g n a l t r a n s i t i o n 铲a p h s ) i sap e t r in e ta n di tc a nb eu s e d t od e s i g na s y n c h r o n o u sc i r c u i t ，a n di ti sa l s og o o do nd e s c r i b i n ga n d m o d e l i n ga s y n c h r o n o u sc i r c u i t s t gc a na l s or 印r e s e n tt h eb e h a v i o ro fa 1 1 a s y n c h r o n o u sc o n t r o lc i r c u i tt h r o u g hs i g n a l t r a n s i t i o ni nt h eg r a p h p e t r i 匆 i sae d at o o lf o rd e s i g n i n ga s y n c h r o n o u sc i r c u i tb a s i n go np e t r in e t ，i th a s p o w e m l 如n c t i o na n dc o n v e n i e n tt om a n i p u l a t e f i r s t l y ，t h i sp 印e ri n t r o d u c e sa 1 1 ds u m m a r i z e sa s y i l c h r o n o u sc i r c u i t d e s i g nt e c h n o l o g y ： t h e d e f i n i t i o n ， m a i nc i r c u i tm o d e l sa n d d e s i 印 m e t h o d so fa s y l l c h r o n o u sc i r c u i ts y s t e m a n d ，t h i sp a p e ri sf o c u so n s t u d y i n gt h es i g n i f i c a n c eo fp e t r i n e ti n a s y n c h r o n o u sc i r c u i ta n d d e s i g n i n ga s y i l c l 啪n o u sc i r c u i tb a s e do ns t ga n dp e t r i 缸 k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sc i r c u i t ，p e t r in e t ，s t ga n dp e t r i 矽 江苏大学学位论文版权使用授权书 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密日。 学位做作者签名：坪吁 如8 年i 月日 指导教师签名：毒，之歹 萨彳年占月，日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，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：讳反彳 日期：乙伊年6 月莎日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，随着集成电路技术的发展，集成电路的特征尺寸不断降低，目前设 计工艺已经进入深亚微米阶段。单个芯片的集成容量不断扩大，但在设计规模不 断增大的同时，也出现了很多未曾预料的问题，如时钟偏移( s k e w ) 、寄生参数影 响等【l 】，这就大大加大了同步电路设计的难度，此时就迫切需要寻找新的设计思 路和设计方法来解决这问题。异步电路中不存在全局时钟，其在很多方面与同步 电路相比具有不可比拟的优越性，在某种程度上来说异步电路可以作为同步电路 的一个很好的替代，因此异步集成电路设计已经受到越来越广泛的关注。对异步 电路设计方法的研究一直是学术界和业界和个热点。 1 1 课题研究的意义 1 1 1 异步电路设计研究的意义 随着电路集成设计水平的提高，晶体管在运行速度和物理尺寸上得到明显的 改善，然而，电路的导线传输速度方面并没有得到相应的提高。因为对于长度相 等，细导线的电阻比粗导线要大，从而导致信号脉冲的减慢和传输延迟时间的增 长，时钟偏移问题就变得越来越严重了。这就意味着，对于一些大型的电路系统 要达到高速的要求会变得越来越困难。在片上系统( s o c ，s y s t e m - o n c h i p ) 设 计中由于在芯片中可能会出现大量参数变化( p a r a m e t e ry a r i a t i o n s ) 的情况， 使得不再能够有效地控制时钟网络中的延迟以及其他的一些全局信号。现在已经 普遍接受的观点是：在纳米时代大规模集成系统( v l s i ) 以及片上系统将不再仅 由单个时钟控制而必须要寻求采用一定的异步技术【2 1 。在同步电路中，芯片内的 大量参数变异会造成对时钟延迟和全局信号进行控制的代价昂贵，而异步方案在 模块性和能耗方面具有优势尤其明显。现在学术界普遍认为未来电路系统将会采 用完全异步或全局异步局部同步的设计方法，异步技术将会运用得越来越广泛， 而制约异步技术成为主流设计方法的主要因素是传统的设计者对异步技术还缺 乏很好的掌握并且支持异步设计的e d a 软件还并不够成熟。然而，在过去的二十 江苏大学硕士学位论文 多年中，异步( 无时钟) v l s i 的设计方法和模型方面得到了极大的发展。预计在 不久的将来，异步技术将会起到同步技术同等重要的作用甚至有可能会慢慢的替 代同步设计技术。 一异步电路的优点【3 】 1 ) 模块化特性突出； 2 ) 对信号的延迟不敏感，对小线宽集成电路工艺适应性较强； 3 ) 可以避兔时钟偏移问题； 4 ) 潜在的高性能特性； 5 ) 电磁兼容性好； 6 ) 具有低功耗频率。 虽然异步电路具有以上这些非常优良的特性，但目前异步技术还没有大规 模运用于业界设计的主要原因是： 首先，以现有的设计方法和设计能力来看，设计异步数字电路比设计同步 数字电路要困难得多。 其次，现有的e d a 工具绝大多数只支持同步数字电路设计，对于异步数字电 路的设计则缺少成熟的e d a 工具。 最后，由于异步电路设计方法与同步设计方法在本质上存在着很大的不同， 要使异步技术在业界得到广泛应用，还需要面对的一个非常大的阻碍是必须对现 在那些掌握同步设计方法的设计人员进行重新的培训，这是一个非常艰巨的任 务。 尽管异步集成电路设计也存在上述一些问题，但异步集成电路设计技术仍 然是一个重要的研究领域，并且已经取得了不少重要的研究成果。现在已经能够 采用异步技术来设计大规模集成电路，甚至有些企业已经设计出了一些异步微处 理器。随着技术的发展，异步集成电路设计技术必将逐步在数字电路设计中起到 越来越重要的作用。 二异步电路实际设计的发展情况 在上世纪五六十年代，异步设计用于很多早期的大型计算机。其中有在伊利 诺伊大学，m u l l e r 及其同事使用速度无关设计方法设计的i l l i a c 和i l l i a ci i 2 江苏大学硕士学位论文 就包括有异步部分。这段时间h u f f m a n 、m u l l e r 和u n g e r 等人为异步电路设计做出 了非常重要的理论研究，奠定了很好的基础。第一个单芯片异步微处理器是在 1 9 8 8 年由c a l t e c h 研制成功的陆1 。随后，在1 9 9 3 年，曼彻斯特大学研制出了第一 个“a m u l e t ”( a r m 异步处理器的一族) 嘲。1 9 9 4 年，东京技术研究所研制出一个8 位异步微处理器，t i t a c 。接着在1 9 9 7 年又研制出t i t a c 一2 ，a i i l u l e t 2 e 酬。同样 的，在1 9 9 7 年，c a l t e c h 研究小组设计出m i n i m i p s ，一个异步版的3 2 位m i p sr 3 0 0 0 微处理器n 引。这个异步处理器比同等工艺设计出来时钟电路的速度要块4 倍之多， 到现在为止，m i n i m i p s 仍然是已设计出来的完全异步微处理器中最快的一个。 g r e n o b l e 的一个小组把c a l t e c h 的m i n i m i p s 的标准块用来组成一个1 6 位的r i s c 。 其他的一些实验性的异步系统包括1 9 9 1 年s t a n f o r d 大学研制的一个异步快速除 法器以及在1 9 9 9 年由工n t e r 的工作组研制的一个为奔腾机的长指令译码器口纠。 p h i l i p s ，c a l t e c h 和c o r n e l l 都已经研制出低功耗的异步微控器。在1 9 9 5 一1 9 9 9 年， 英特尔完成了r a p p i d 工程，这是一个对奔腾ii3 2 位删x 指令集的完全异步的指 令长度解码器，和同样功能的同步设计相比速度提高了3 倍，而功耗仅为l 2 。 1 1 2 基于p e t r i 网的异步电路设计的研究意义 异步电路设计方法的研究一直是业界和学术界的一个热点，现在已经提出了 很多异步电路设计的方法，常用的异步电路设计的几种方法是：异步有限状态机 综合法、p e t r i 网和胁p h b a u s c d 法、转换法( t r a n s f o m a t i o n ) 和自同步电路( t i m e d ) 【1 3 1 o p “网是一种广泛用于描述并发系统的形式化语言。p e t r i 网已经广泛的应 用于以下这些方面中：设计和描述异步电路，操作系统和分布计算的资源分配， 并发程序的分析，性能分析和时序验证以及高级电路设计中。p 缸网和其它的 一些图形表示方法已经被广泛的应用于异步电路的描述和综合上。在p 嘶网建 立的模型中，一个异步系统并不是一个基于状态的系统而是看成为一个事件系 统。p e t r i 网具有的以下优良特性【4 】： 1 )一种理解简单，使用方便的图形表示法； 2 )具有强大的模拟功能能够在不同的抽象级对各种异步系统进行行为级 描述； 3 江苏大学硕士学位论丈 3 )形式化的运算语法以及能够保证安全性及验证的正确性； 4 )能够从网模型直接对电路进行综合。 p e t r i 网的内在特性使得它非常适合用于表示系统内部事件之间的并发性、 选择性和因果性，也就意味着其非常适合用于异步电路设计中。通过对网变迁的 合理解释，p e t r i 网既可以用于高级行为级描述又能对基于事件驱动和基于电平 的电路进行低级的描述。p e t r i 网能够用于异步电路设计的多个步骤中，它可以 描述异步电路也可以作为异步电路实现的一个中间环节，还可以用于综合和验证 异步电路。 形式化运算语法和验证在设计中的两个主要步骤( 异步电路的综合和验证) 中都可以引入p e t r i 网进行。现在有几种用于分析p e t r i 网动态特性的方法。可以通 过建立一个可达状态图来表示系统的所有可能状态。但利用可达图来分析可能会 造成一些其它麻烦：可达标识的数量可能会随着p e t r i 网中变迁的数目成指数增 长。这就需要通过一些e d a 工具来辅助设计。 现有的从p e t r i 网模型对异步电路综合的方法主要可分为两类：一种是直接 的，基于句法的把网模型转化成逻辑电路，并且优化的对电路进行逻辑综合；第 二种方法是从s t g 中对电路进行综合。 1 2 课题研究内容 本课题的目的在于探索和研究异步电路设计方法学以及p 嘶网在异步电路 设计中的应用情况。通过对国内外异步电路的各种主要设计方法及其应用情况进 行分析和研究，并且主要研究基于s t g 和p e t r i f y 工具的异步电路设计，设计一 些异步电路的实例。 首先，对异步电路设计方法学进行全面性的研究。提出异步电路的概念已经 有五六十年的时间了，在这期间大量的学者和业界工作者为异步电路设计技术的 发展和进步作出了巨大的贡献。由于国内对异步电路设计的研究比较少，相关的 资料较少，本论文首先从整体上对异步电路设计技术进行研究，总结概况前人的 研究成果，以便接下来研究工作的开展。 接着，对p e t r i 网在异步电路设计上的应用进行研究。p e t r i 网可以运用于 4 江苏大学硕士学位论文 异步电路设计的多个方面，并且p e t r i 网也有多种子类。论文将对p e t r i 网在异 步电路设计的各个方面的运用情况进行研究：基于p e t r i 网的不同研究方法、设 计流程以及支持p e t r i 网进行设计的相关的e d a 工具等。 最后，基于p e t r i f y 和s t g 的异步电路设计。研究通过s t g 来设计异步电路， 并且借助p e t r i f y 软件设计几个异步电路。 1 3 论文结构安排 论文共分为五章。第一章是绪论，介绍课题研究的意义和研究内容。第二 章介绍异步集成电路的理论和异步电路的主要设计方法及应用情况。第三章介 绍p e t r i 网理论以及p e t r i 网在异步电路设计中的应用。第四章是基于s t g 和 p e t r i 匆工具的异步电路设计，并且设计给出了一些异步电路实例。第五章对论 文进行总结。 江苏大学硕士学位论文 第二章异步电路设计方法研究 从2 0 世纪5 0 年代中期开始异步电路设计就成为了研究的热点，但由于各种 因素导致这种设计技术却一直没能被广泛的应用。本章着眼于研究异步电路结构 和一些主要的异步电路设计方法。 2 1 异步电路和同步电路的异同 1 4 】 同步电路的定义：电路中所有时序模块的时序由一个总体时钟控制，时钟模 块问的组合逻辑模块在一个时钟有效跳变沿到来后丌始工作，在下一个时钟跳变 沿到来之前完成工作。 异步电路的定义：电路通过大量握手信号来完成整个电路的时序控制工作， 每个电路模块在握手信号有效跳变沿到来后开始工作，在工作完成后产生相应的 完成信号并且通知丌始下一个握手工作。 c l k ( a ) 图2 1 ( a ) 一个同步电路的基本示意图 ( b ) 一个带有时钟驱动和时钟选通门的同步电路示意图 f i g 2 1 ( a ) as y n c h r o n o 啪c i 砌i t ( b ) as y n c h r o n o l l sc i 暂c u j t 谢t l lc l o c k “v e r s 锄dc l o c kg a t i n g 6 江苏大学硕士学位论文 图2 1 ( a ) 是一个同步电路示意图。为了简便图中只显示了一个流水线结构， 用来代表任何同步电路。当使用硬件描述语言和相关的综合工具来设计专用集成 电路( a 】d p l i c a t i o ns p c c i j f i ch l t e 黟a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 时，设计者的注意力往往集中在 数据处理并且假定电路中存在一个全局时钟。例如，设计者可以把时钟锁存到寄 存器r 3 的数据看作是在前一个时钟锁存到寄存器r 2 数据的c l 3 函数，其变量赋 值表达式为：r 3 ：= c l 3 ( r 2 ) 。在物理层面的设计时，电路实现是一个很难的问 题。现今的a s i c 采用的是一种时钟缓冲器的结构，而导致电路中会出现大量的 时钟( 也可能是选通信号) 信号，如图2 1 ( b ) 。我们知道可以通过c a d 工具和 相应的工作来设计时钟选通电路并且尽可能减小和控制不同时钟信号之间的偏 斜。这时电路的设计必须确保满足两个时序约束条件时钟沿附近的建立时间 和保持时间，由于这两个时序约束主要是由导线延迟决定的，随着设计工艺水平 的发展，要满足这两个条件并不是一个简单的任务。 异步设计则是同步设计的一种很好的替代。异步电路中相邻寄存器之间用一 些握手形式来代替同步电路中的时钟信号，例如图2 2 ( a ) 是与图2 1 ( a ) 相对 应的异步电路示意图，2 2 ( b ) 是异步电路的抽象数据流示意图。 。c h 柚f l c l ”或。l i i l l 【” 图2 2 ( a ) 与图2 1 ( a ) 相对应的异步电路示意图， ( b ) 异步电路的抽象数据流示意图 f i g 2 2 ( a ) a ne q _ u i v a l ta s ) ，i l c h m 瑚c i r c l l i tt of i g 2 1 ( b ) a na _ b s 缸a c td a t a n o w 、，i e wo fm ea s ) r n c l l l - 0 n o u sc i r c u “ 7 江苏大学硕士学位论文 对异步电路进行一个抽象的认识，如图2 2 ( b ) 所示： 1 把连接各寄存器之问的数据和握手信号看作为“握手通道( c h a n n e l ) ”或 “连接( l i n k ) 。 2 把寄存器中存储的数据看作为带有数据值( 这个值可能会随着托肯 ( t o k e n ) 流经组合电路的情况而发生变化) 的托肯m 1 。 3 组合电路对于寄存器之间的握手是可见的，组合电路从它自己的每个输 入端口得到一个托肯，进行相应运算后它的每个输出端口输出一个托肯。 以上面这种方式来分析，异步电路可以看成一个简单的静态数据流结构。当 有新数据被本级寄存器锁存，并完成相应的组合逻辑运算后，才会向下级发出请 求信号。这种数据流结构在没有新数据进入流水线的时候将不会有任何电平的翻 转，因此可以大大降低功耗。同时由于取消了时钟信号，也自然的解决了时钟漂 移问题。直观地，要使电路能够正确运行必须保证数据托肯流动不会消失，保证 某个托肯不会赶上另外的托肯，也不会凭空出现一个新托肯。 在异步集成电路中，各个模块采用握手信号进行交互，以此保证操作的顺序， 从而实现模块间的通讯和同步。在电路中，相邻的两个寄存器之间是通过某种方 式的握手信号，而非时钟，来进行同步的。 2 2 异步电路基本理论与分类 逻辑电路设计主要是基于以下两个前提条件：1 ) 电路系统中所有信号都是 用二进制来进行表示；2 ) 时间是离散n 和。这两个前提条件是为了简化逻辑设计。 信号用二进制数表示使得能够用简单的布尔代数来描述和控制逻辑结构。时间离 散则可以大大的减少险象和反馈的情况出现。然而，虽然设定某些前提条件可以 简化设计，但如果这些设定的前提条件越少则设计出来的系统将会有可能得到更 好的性能u 引。 异步电路保留了信号为二进制这个条件而弃用了时间为离散的条件，也就是 说异步电路不具有全局时钟，不是由时钟信号来控制电路系统的运行。因此异步 电路具有以下几个可能的优势： 江苏大学硕士学位论文 ，克谢鲈嬲时钟偏移同一是时钟信号到系统不同部分所需要的时间差。 异步电路没有全局时钟所以也就不用考虑时钟偏移的问题，而同步系统往 往需要通过降低整个系统的速度来调和时钟偏移。随着电路物理面积的减 小，同步电路的时钟偏移问题所占影响性能的比重会越来越大，处理这个 问题也将会变得越来越难。 2 衔勿摇标准的同步电路需要对时钟线路进行不停的关断操作，并且可能 还需要对信号进行不停的预充电和放电操作，这部分操作所耗费的能量是 与当前运算中未使用的电路成比例。例如，在一个给定的指令流中即使在 某一时刻并没有用到微处理器中的浮点单元，但这个单元在时钟信号到来 时仍要执行运算，执行这个运算所耗费的能量完全是无用功。虽然异步电 路的运算路径上通常需要执行比同步电路更多的跳变，但这些跳变只有出 现在当前运算时才发生。 3 乎均雒膨危孝厂最羞丝能：同步电路必须直到所有可能的运算都完成才锁 存结果，因此得到的是最差情况性能。而异步系统则是在某个部件的运算 结束后就把结果锁存，从而在理论上可以得到平均性能。对于如行波进位 加法器( r i p p l ec a r r ya d d e r ) 这类电路，最差延时比平均延时在性能上 要差很多，因而，采用异步的方式来实现则系统性能速度上则可以有实质 性的提高。 4 彷纪勋惩在同步系统中，系统时钟也就是系统的性能是由关键 ( c r i t i c a l ) 路径决定的。因此几乎必须对电路的所有部分都进行仔细的 优化从而使系统尽可能的达到最高时钟频率，即使是那些系统中很少用到 的部分也必须进行相应的优化。而异步系统的性能是由当前运算电路的速 度来进行决定，因此只需要对那些常用的部分进行优化便可大大的提高电 路的性能，而那些很少使用的对系统性能影响不大的部分可以不对它进行 优化，从而可以大大的简化系统优化问题。 e 是势矽移稽佬力：集成电路在整个设计过程中常常是几种不同技术来实 现。系统最初可能是由门级阵列来实现，而后可能会移植到半定制或全定 制的i c 。同步系统为了得到更好的性能通常需要把所有的系统元件移植到 一个新的工艺中，因为系统的性能还是由最长路径所决定的。而对于异步 9 江苏大学硕士学位论文 系统，由于其性能是由当前活动的路径决定，所以只需要对关键系统元件 进行移植就可以改善系统的性能。同样的，由于异步系统感应的是当前完 成的运算，因此具有不同时延的元件可以在不改变其他单元或结构的前提 下进行替换。 6 自动坦琵哟，堙绔丝电路的延时可能会随着结构、温度以及电压的变化 而变化。同步电路必须考虑到最坏组合逻辑出现以及最坏时钟的情况。而 对于许多的异步电路只感应运算完成部分，因此整个系统不会过多的受外 界物理条件改变的影响，电路可以在物理特性允许的范围中尽可能快的运 行，性能不会受太大的影响。 、很强的互斥性以及外部输入信号处理能力：为i 愫证爸信号畏互斥啦以 及外部信号对时钟的同步性的条件往往容易导致电路亚稳定性的出现。同 步电路要求所有的元件具有有限的反应时间。从而会使得在一个同步系统 中出现互斥电路失效的可能。大部分的异步系统则能够任意长的等待一个 部分运算的完成，满足坚定的互斥性。同样的，由于系统中不要求信号要 与哪个始终保持同步，异步电路的输入更能够适应外部世界，因为外部世 界自然都是异步性。 对于上面所描述的异步电路所具有的这么多潜在优势，有人可能会问为什么 现在的电路设计中仍然是同步设计技术占主导地位。原因就是在具有以上这些优 势的同时，异步电路同时也存在不少的问题： 首要的，异步电路的设计难度比同步电路要大。同步系统中，设计者只需要 确定完成给定功能的组合逻辑，并且用用锁存器把它们包围，通过设定足够长的 时钟周期来消除对险象和电路动态状态的担心就基本可以完成系统的设计。相反 的，异步系统的设计者必须认真考虑电路动态状态的问题，同时也必须要消除电 路中可能会出现的险象或者在第一次布局时就不应该引入，从而避免得到不正确 的结果。在同步系统中系统的运算顺序是由锁存器的位置确定，而异步系统中必 须通过异步控制逻辑来仔细的确定，而这个异步控制部分设计难度比较大。 其次，阻碍异步设计技术成为主流设计方法的主要原因是缺乏一种能够与常 规的e d a 工具和设计库兼容的设计流。由于设计流的大部分内容是把设计的电路 网路结构图映射到硅片中，因此兼容性问题是非常重要的。对于这个任务，可以 1 0 江苏大学硕士学位论文 利用传统的布线工具以及时序分析和仿真工具。但是，那些针对于同步系统的综 合和验证工具并没有考虑到异步元件的一些重要性质。因此必须对传统设计流中 的综合和验证这部分内容进行相应的改进和替代，这也将是个艰巨和长时间的任 务。 另外一个障碍是业界中现在所采用的描述语言，现在业界中绝大部分的设 计者都是采用的高级硬件描述语言，比如v e r i l o g h d l 和v h d l 等，而这些描述语 言都是针对同步设计。用这些语言来描述异步部分所需要的代码要比描述同步逻 辑多很多，而且有时候还并不一定能够完全描述异步电路。不过现在也有了一些 专门为异步设计的语言【1 6 。引。然而，在业界中采用一种新的语言也就意味着要在 设计流上作重大的改变并且要重新培训设计者。这个过程花费的时间和金钱是巨 大的，这也就导致了新的语言很难为商业公司所接纳。 虽然异步技术的优势看似能够使得异步系统相对于同步系统会具有更好的 性能，但在实际中并没有被完全的证实。异步电路一般都需要引入额外时钟来处 理其信号策略，从而会增加平均时延。这个增加的代价到底是大于还是小于前面 所描述的异步电路优势现在还不是很确定，而且在不同系统可能会得出不同的结 果，这方面还有待于进一步的研究。 虽然，异步技术还存在着以上这些问题，异步电路设计仍然是一个重要的研 究领域。不管现有同步系统已经取得了多大的成功，对异步技术的需求是一直存 在的。异步技术已经被应用于简单的同步系统同外界( 或其他同步系统) 之间的 接口电路中，以及其他一些更完整的应用。虽然想在业界大幅度的设计异步系统 还存在很大的困难，但现在已经出现了多种对异步电路进行设计的方法和c a d 算 法，这些设计方法和设计工具的出现将会大大促进异步电路在业界的使用。以下 将描述几种主要的异步电路设计方法，对一些比较著名的异步系统设计方法进行 讨论和研究，使能够更好的了解异步电路的设计流程。 2 3 异步电路结构分类 与同步数字电路类似，异步数字电路也可以看作是由各种实现一定逻辑功 能的门器件和连接各个门的连线组成的布尔网络。由于缺少了全局时钟的控制信 号，异步电路是一种自主控制的电路。为此，异步电路的发展这几十年内已经提 江苏大学硕士学位论文 出了各种不同的电路延时模型来构造异步电路。当前的各种异步电路结构就是分 别基于不同的电路延时模型发展起来的。按电路元件延时时间的长短来划分，则 包含有限延时( b o u n d e d d e l a y ) 模型和无限延时( u n b o u n d e d d e l a y ) 模型。有限延 时模型的延时上界和延时下界是已知的，而无限延时的延时为一无界正值。如果 电路按门器件的“记忆容量来划分，又可分为纯延时( p u r e d e l a y ) 和惯性延 时( i n e r t i a 卜d e l a y ) 。纯延时模型的输入端波形在一定时间后能够无失真地输 出；对于惯性延时，当输入脉冲信号的宽度小于某个域值，该脉冲将被滤掉。根 据延时出现的位置，人们通常将电路延时模型分为3 类：反馈线延时模型 ( f e e d b a c kd e l a y ) 、门延时模型( g a t ed e l a y ) 和连线延时模型( w i r ed e l a y ) 。 它们分别表示的是每一条反馈环路上都存在至少一个延时器件、以及每一条连线 都等价为理想的连线和相应的延时器件等三种情况【3 】。按照这种分类情况，异步 电路主要可以分为有限延时模型、微流水线电路结构、延时无关异步电路、准延 时无关电路和速度无关电路等几种。 以下将按照电路基于的时序假设对异步电路的原理、设计流程以及使用情况 对这几种主要的异步电路模型进行分类研究。 2 3 1 有限延时模型 最常见的异步电路模型与同步电路模型非常的类似。具体地，这种异步模型 假设所有电路元件和连线的延时是已知或者至少是有限的。用这种模型建立的电 路通常都被称为h u f f m a n 电路，h u f f m a n 电路的早期概念是由d a h u f f m a n 教授在 1 9 6 4 年提出来的【1 9 】。这类电路主要有：基本模式h u f f m a n 电路【1 9 1 、非基本模式的 h u f f m a n 电路和b u r s t m o d e 电路l 驯。 1 基本模式h u f f m a n 电路( f u n d a m e n t a lm o d eh u f f m a nc i r c u it 别 h u f f m a n 提出了一种异步电路的基本结构。这种电路采用了和同步数字电路 相同的延时模型，通过引入基本假设( 电路对前一个输入信号的响应稳定前，当前 输入信号不发生变化) 来无毛刺地实现电路功能。 基本假设要求组合电路的输入信号每次只有一个发生变化，这样就能保证输 出无毛刺。组合电路加上反馈就构成了异步时序电路。为满足基本假设，异步时 序电路必须满足两个条件：在当前状态改变以前，组合部分已经完成了对输入信 1 2 江苏大学硕士学位论文 号的响应( 这个条件可以通过在反馈上加入延时元件来实现) ；每次只能有一个状 态位发生改变( 该要求是通过采用特定的状态编码来实现的) 。 输入 信号 现在 状态 输出 信号 下个 状态 图2 3h u f f m a n 时序电路结构 f i g 2 3t i m i i l go fh u 伍n a nc i r c u i t 2 b u r s t m o d e 电路结构 基本模型的假设，虽然使逻辑设计更为简单，但同时也大大的增加了时钟周 期，从而电路的性能会受到很大的影响。因此可以通过移除这个假设条件来进一 步的改进电路性能。所以此后又提出一种b u r s t m o d e 电路结构( 图2 4 ) 。其最大 改进在于允许定义好的输入( 一个非空的输入信号集合) 信号以任何顺序发生变 化。由于b u r s t m o d e 电路只有在整个输入信号组到来之后才允许输出发生变化并 且只有在电路完成对当前输入信号的响应之后才允许下一组输入的到来，所以在 电路中不会存在基本模式电路中难以消除的冒险。 图2 4b u r s t m o d e 电路结构图 f i g 2 4b u 璐t m o d ec i r c u i t 该结构的优势在于易于实现自动综合，代表性的综合工具是m i n i m a l i s t ， 其综合过程是将h 斛m o d e 状态机生成相应的门级电路网表。可是这类电路模型 不易用来实现输入信号同时变化的电路( 如数据通道) ；电路的延时模型决定了电 1 3 江苏大学硕士学位论文 路是工作在最坏情况下，并且不支持层次化电路设计。除此外，一些为了消除毛 刺而添加的冗余逻辑也会使得此类异步电路的测试变得很困难。 3 有限延时模型存在的缺陷 虽然有限延时设计方法已经成功的运用于一系列的同步电路设计中，但其自 身存在的一些不足限制了这种模型在异步电路中的运用。主要原因是我们要实现 的电路往往并不是单个的简单状态机而是一些具有多个控制状态机和数据通道 的复杂系统。而有限延时方法并不能处理系统分解问题，因此这种方法也不能用 于设计数据通道部分。这是因为数据通道一般是会有多个输入信号同时发生变 化，而这种延时模型却严格的限制了数据通道的并行性。 除了以上这个问题外，有限延时模型还存在以下这几个问题： 1 ) 很显然，有限延时模型是通过增加延时来避免冒险的出现，这就会降低电 路的性能。 2 ) 这个模型在插入延时环节时必须以电路的输入和物理特性都是最差情况来 考虑，因此会使设计出的电路为最差行为特性。 3 ) 有限延时模型很难进行电路测试。首先，避免冒险所加入余项会直接影响 故障测试，因为故障测试要求电路中避免出现余项。 2 3 2 微流水线电路( m i c r o - p i p e l i i i e ) 微流水线电路最早是由i v a ns u t h e r l a n d 在他获得图灵奖的论文2 1 3 中提出来 的，它是作为一个异步选择来替代同步柔性流水线电路。微流水线电路混合使用 了几种延时模型，它具有延时无关和有限延时这两种电路的某些性质。微流水线 电路的基本实现结构是个控制先进先出( f i f 0 ) 电路，如图2 5 所示，图中“c 表示的是一个m u l l e rc 元。 输入 请求 输出 确认 图2 5 微流水线电路架构的f i f o f i g 2 5 f i f oo fm i c r o - p i p e l i n es n m c t i l 托 1 4 输出 确认 输出 请求 江苏大学硕士学位论文 可以使用这个简单的f i f o 结构来构成一个完整的计算流水线电路结构图，如 图2 6 所示。 图2 6 微流水线结构的计算电路 f i g 2 6m ec o m p u t a t i o nc i r c 血to f m i c r o p i p e l i n es 劬c t u r e 微流水线电路的最大优点是由于电路存在的寄存器能够滤除可能出现的冒 险，此外这种结构可以很方便地实现异步数据通道，并且能很容易地把同步功能 模块集成到流水线结构中，同时，能够方便地级连成复杂的电路系统。虽然这种 电路结构具有以上这些优点，但由于在控制通道上采用了最坏情况下的延时，所 以这种电路只能具有最坏情况下的工作速度；由于控制电路中存在延时假设，所 以必须对实际电路进行延时错误检测。除此外，如何运用微流水线电路结构来设 计更为复杂的系统还是一个问题，当前有很多研究都集中在这个方面上。也已经 出现了一些微流水线电路的解决方案，也设计出来了一些完全的异步微处理器。 2 3 3 延时无关电路( d e l a y i i n s e n s i t i v ec i r c u i t s ) 延时无关电路采用的延时模型与有限延时模型完全不同，延时无关电路设定 电路元件和导线的延时是无上限。因此在这种电路中并没有一个确定的时间来保 证电路的输入会产生变化，而是通过一个“完成探测( c o m p l c t i o nd e t c c _ t i o n ) 电 路来控制电路的输入变化。在通信过程中，只有在接收到“完成探测 电路发送 过来的指示当前输入已经完成运算的信号后，发送端才会发送一个新的输入信 号。 1 5 江苏大学硕士学位论文 这种电路模型由于并不能确保电路在某个具体的时间段内完成某些动作，所 以需要采用一种新的数据传输方式请求应答机制。常用的控制信号传输协议 有二相握手协议和四相握手协议，数据传输方式是信号跳变和数据绑定两种。通 用的电路基本模块，如单输出的逻辑门，由于不具有延时无关性，都不能用于延 时无关电路设计。能够使用的电路模块一般只有缓冲器( b u 脑) 和c 元等很有 限的电路单元。为实现复杂的电路结构，通常使用基于有限延时假设的电路模块， 而在电路模块之间的接口电路则是延时无关。近来还提出了一种局部是速度无关 的电路模块，全局是延时无关结构的解决方案。由于这种电路综合方案采用了基 于s t g 的逻辑综合技术，因此可能进行更好的性能优化。延时无关电路由于采 用的是任意的延时假设，因此需要引入比较复杂的控制电路，增加了电路的面积。 但这种电路可以实现平均效率的处理速度，并且这种电路模型把电路功能实现和 具体延时分开考虑，所以在对电路时序进行优化和改变时并不会影响电路的功 能，这是一个很大的优点。在实现小规模电路时，这种电路模型往往由于控制电 路的过于复杂而变得不够经济。因此，延时无关电路更适合用于系统模块之间 的接口电路。 延时无关模型能够更好的处理数据通道电路，趋向于得到平均性能电路而不 是最差性能电路，并且不会出现附加的偏移。当然延时无关电路的结构相对要复 杂。 2 3 4 速度无关电路( s p e e d - i n d e p e n d e n t ) 和准延时无关 ( q u a s i - d e l a y i n s e n s i t i v e ) 最后两种异步电路设计结构是速度无关电路和准延时无关电路。m u n e r 【2 2 1 提 出了一种速度无关电路模型，在速度无关电路中，假定每个门在其输出端有一个 无限惯性延时单元，同时认为互连线的延时可以忽略。这种电路模型能够保证电 路具有很强的鲁棒性。准延时无关电路采用的是和延时无关电路同样的延时假 设，并且其增加了等时分支( i s 洳i l i cf 0 r k s ) 的假设。等时分支是指电路中不 同分支之间的延时差别可以忽略不算。这两种电路模型在某种程度上是很类似 的。 1 6 江苏大学硕士学位论文 一1 g a i c 厂二 = a i 竺! 厂 厂= _ 1 垒兰 (a)(b) 图2 7 ( a ) 一个等时分支( b ) 电路和与其相对应的速度无关电路 f i g 2 7ai s o c h r o n i cf o r k sc i r c u i ta n dn 圮e q u i v a l e n ts p e e d i n d 印衄d 锄tc i ：r c u i t 速度无关特性并不是一个电路的性质，而是电路在某种特定环境下的性质。 因此，进行电路设计和验证时，都必须结合相应的电路环境来验证电路的速度 无关性。当前，实现一般逻辑功能的速度无关电路结构主要有两种：c 元件标准 实现方案【2 3 】和r s 锁存器【刎实现方案，分别如图2 8 和图2 9 所示。理论上已 经证明，任何布尔函数都可以用这两种结构得到无毛刺的实现。 图2 8c 单元标准模块结构图2 9r s 锁存器模块结构 f i g 2 8t l l e 咖l c t i 鹏o f ce l 伽饥tf i g 2 9t h es 虮l c n 鹏o f r s1 a t 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