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為了實(shí)現(xiàn)異步電路在實(shí)際應(yīng)用中的低功耗、高性能特性，提出了一種基于單通道通訊協(xié)議的高速異步流水線控制單元和一種使用Muller C單元的高魯棒性的QDI(quasidelay insensitive)異步流水線控制單元。第1種異步流水線控制單元采用獨(dú)立的正反向響應(yīng)電路，使得比近期提出的超高速異步流水線控制單元GasP電路的正向響應(yīng)減小了50％的信號翻轉(zhuǎn)。該電路使用TSMC 0．25μmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)，HSPICE模擬結(jié)果表明與GasP電路相比正向響應(yīng)時間減少38．1％．可以工作在2．2GHz；第2種控制器與流行的QDI異步控制器STFB(single-track full-buffer)電路相比．以較少的面積代價，實(shí)現(xiàn)了時序驗(yàn)證上的極大簡化。 異步電路因其具有低功耗、高性能和低電磁干擾的特性，正受到越來越多的關(guān)注。異步流水線是異步電路實(shí)現(xiàn)的主要形式，從而得到廣泛研究，實(shí)用的異步流水線結(jié)構(gòu)也被不斷提出，例如在文中提出的超高速異步流水線控制單元GasP電路，在文中提出的準(zhǔn)延時無關(guān)QDI異步流水線控制單元WCHB(weak condition half buffer)、PCHB(precharged fullbuffer)，以及在文中提出的基于單通道通訊協(xié)議的QDI異步流水線控制單元STFB。 提出一種基于單通道通訊協(xié)議的高速異步流水線控制單元，與文中GasP電路的正向響應(yīng)需要4次信號轉(zhuǎn)換相比，該控制單元的正向響應(yīng)只需要2次信號轉(zhuǎn)換，從而大大減小了流水線的正向響應(yīng)時間。同時，為了簡化時序驗(yàn)證，另一種具有更強(qiáng)魯棒性的QDI異步流水線控制單元被提出，該控制單元很好地解決了STFB控制單元高的功耗和面積消耗問題。 1 GasP電路與STFB電路 典型異步電路系統(tǒng)由一系列相互通訊的模塊組成，在這些模塊之間需要基于異步握手協(xié)議的通訊通道來完成數(shù)據(jù)交換，本文根據(jù)通訊通道的延時模型將其分為有限延時通訊通道和準(zhǔn)延時無關(guān)通訊通道，圖1給出了這兩種類型的通訊通道。 其中圖la中給出的有限延時的通訊通道，由于采用單軌制編碼方式，可以有效的復(fù)用現(xiàn)有同步電路單元，并且在很大程度上節(jié)約了面積。但是有限延時模型決定了請求信號與數(shù)據(jù)有效之間存在復(fù)雜時序關(guān)系，在物理設(shè)計時，時序驗(yàn)證是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。準(zhǔn)延時無關(guān)通訊通道如圖lb所示，該通道采用1-of-N的編碼方式，此種編碼使用冗余碼，數(shù)據(jù)本身包含數(shù)據(jù)有效信息，不需要請求信號指示數(shù)據(jù)有效，這樣也就有效避免了請求信號與數(shù)據(jù)有效信號之間復(fù)雜的時序關(guān)系。準(zhǔn)延時無關(guān)通訊通道有效地簡化了時序約束并易于實(shí)現(xiàn)異步電路的平均延時，但是，由于其需要檢測數(shù)據(jù)有效，勢必會引入額外的延時。 與同步電路相比，異步電路需要實(shí)現(xiàn)發(fā)送者和接收者之間的握手協(xié)議，因而會引入額外的延時、功耗以及面積的代價，如何設(shè)計有競爭力的控制器實(shí)現(xiàn)握手協(xié)議是異步電路設(shè)計的關(guān)鍵。 1．1 GasP電路 GasP電路作為高速異步流水線控制器被提出，圖2給出了GasP電路的基本結(jié)構(gòu)，通過邏輯努力電路優(yōu)化之后，圖中每一次信號翻轉(zhuǎn)的延時相等。 初始化之后，節(jié)點(diǎn)L、 R和A均為高電平，當(dāng)前一級電路準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)L將被設(shè)成低電平，此時自復(fù)位與非門的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，節(jié)點(diǎn)A被驅(qū)動到低電平，經(jīng)過一級反相器，節(jié)點(diǎn)LE變?yōu)楦唠娖�，此時數(shù)據(jù)通過鎖存器傳輸?shù)较乱涣魉�。�?dāng)節(jié)點(diǎn)A電平為高后，節(jié)點(diǎn)L通過上拉的PMOS恢復(fù)到高電平，經(jīng)過兩級延時，節(jié)點(diǎn)R被驅(qū)動成低電平。在A為低電平后兩個門延時，自復(fù)位與非門的兩個輸入為低電平，因此，自復(fù)位與非門的輸出將自行恢復(fù)到高電平。在這一狀態(tài)下，如果前一級電路再次將L驅(qū)動成低電平，自復(fù)位與非門的輸出不會再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，直到后一級電路完成對當(dāng)前鎖存數(shù)據(jù)的處理，將R重新設(shè)置成高電平。 正向響應(yīng)時間定義為節(jié)點(diǎn)L變低到節(jié)點(diǎn)R變低過程中的信號轉(zhuǎn)換次數(shù)。反向響應(yīng)時間定義為節(jié)點(diǎn)R變高到節(jié)點(diǎn)L變高過程的信號轉(zhuǎn)換次數(shù)。根據(jù)以上定義，GasP電路的正向響應(yīng)時間為4次信號轉(zhuǎn)換，而反向響應(yīng)時間為2次信號轉(zhuǎn)換。異步流水線的輸入到輸出的響應(yīng)時間由流水級的正向響應(yīng)時間決定，因此，Gasp電路獲得高的吞吐率的同時，是以大的響應(yīng)時間為代價的。當(dāng)Gasp電路各級門的延時失配時，存在直流電流，從而引入了額外的功耗，并減慢了節(jié)點(diǎn)A由低向高的翻轉(zhuǎn)速度。同時，GasP電路不利于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)延時無關(guān)電路，在電路物理設(shè)計時，復(fù)雜的時序驗(yàn)證是不可避免的。 1．2 STFB電路 異步流水線控制器STFB電路由Ferretti M和Beerel P A提出，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其采用雙軌制編碼實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)延時無關(guān)異步通訊。 工作過程如下：初始化以后，節(jié)點(diǎn)L0、L1、R0、R1以及A均為低電平，節(jié)點(diǎn)B為高電平；一旦前一級電路準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，L0和L1其中一個設(shè)置成高電平，這里假設(shè)L0被前一級電路設(shè)置成高電平，這時通過與非門S0節(jié)點(diǎn)設(shè)置成低電平。當(dāng)S0為低時，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)R0被驅(qū)動成高。節(jié)點(diǎn)A變高以后，L0和L1被重新拉回到低電平，這標(biāo)志著前一級電路可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)。當(dāng)R0變高以后，B節(jié)點(diǎn)由高電平變成低電平，防止S0、S1節(jié)點(diǎn)被再次拉高，直到后一級電路處理完Ro、R1上的數(shù)據(jù)，將R0設(shè)置成高電平之后，B節(jié)點(diǎn)重新回到高電平，新的數(shù)據(jù)才允許被再次傳送到下一級。 從圖3不難得出，STFB控制器的正向響應(yīng)需要2次信號翻轉(zhuǎn)，而反向響應(yīng)需要4次信號翻轉(zhuǎn)，一個周期的信號翻轉(zhuǎn)次數(shù)與GasP電路一樣，都是6次。當(dāng)一個流水線的輸出受限時，流水級的反向響應(yīng)將影響其性能，同時在實(shí)現(xiàn)寬數(shù)據(jù)通路的流水線時，STFB電路需要與數(shù)據(jù)寬度一致的控制器個數(shù)，因此在STFB實(shí)現(xiàn)時，需要較大的功耗和面積代價。 2 低響應(yīng)時間特性的異步流水線控制器 圖4給出了基于單通道異步握手協(xié)議通訊通道結(jié)構(gòu)， 從圖中可以看出，信號Ack＿in和Ack＿out總是反相的，因此在同一控制器中，從Ack＿in到Ack＿out需要奇數(shù)次反相，從Req＿in到Req＿out也需要奇數(shù)次反相。此外Req＿out和Ack＿out有效的條件是Req＿in為低電平并且Ack＿in為高電平，因此Req＿in和Ack＿in兩個信號在進(jìn)行與非操作或者或非操作前必須有一個信號需要先做一次反相。在設(shè)計控制器時，若由同一電路產(chǎn)生Req＿out和Ack＿out時，則從Req＿in到Req＿out或者從Ack_in到Ack＿out路徑中必有一條路徑存在3級反相門，也就是說，正向響應(yīng)或者反向響應(yīng)需要4次信號轉(zhuǎn)換(Req＿out和Ack＿0ut到通訊通道還有一次信號反相)。 為了減小正反向響應(yīng)信號翻轉(zhuǎn)的次數(shù)，將信號Req＿out和Ack＿out信號的產(chǎn)生電路分開，圖5就是基于這一思想提出的一種新的具有低響應(yīng)時間特性的異步流水線控制器。 下面具體介紹該控制器的工作過程：在初始狀態(tài)時，節(jié)點(diǎn)L、R和A均為高電平，節(jié)點(diǎn)B為低電平，此時晶體管M1、M2截止。當(dāng)前一級電路將L節(jié)點(diǎn)驅(qū)動為低電平時，經(jīng)過一級門延時，節(jié)點(diǎn)B被驅(qū)動成高電平，經(jīng)過兩級門延時節(jié)點(diǎn)A被驅(qū)動成低電平，節(jié)點(diǎn)R被驅(qū)動成低電平。在節(jié)點(diǎn)A為低以后，L節(jié)點(diǎn)通過PMOS管重新被拉成高電平，表示前一級電路可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)。當(dāng)R為低電平后兩個門延時，B節(jié)點(diǎn)被重新驅(qū)動成低電平，同樣在L為高電平后兩個門延時，A節(jié)點(diǎn)重新回到高電平；當(dāng)A是高電平，B是低電平時，L和R節(jié)點(diǎn)浮空，該流水級處于等待前一級的請求信號和后一級的應(yīng)答信號狀態(tài)。圖6a給出了以上描 的輸入受限(即請求信號晚于應(yīng)答信號)的信號轉(zhuǎn)換情況，而圖6b是輸出受限(即應(yīng)答信號晚于請求信號)的信號轉(zhuǎn)換情況。為了使在輸入受限和輸出受限兩種不同情況下，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B充放電時間都為3個門延時，如圖5所示，加入了M1和M2管，以確保A、B信號在這兩種情況下具有相同的脈寬。 上述異步流水線控制器的正反向響應(yīng)都只需要2次信號翻轉(zhuǎn)，與GasP電路相比，減小了50％的正向響應(yīng)信號翻轉(zhuǎn)次數(shù)。同時在設(shè)計GasP電路中，必須小心選擇晶體管的尺寸，以保證每一級門的延時完全一致。如果各門延時出現(xiàn)失配，GasP將不能正常工作。而本文提出的控制器由于產(chǎn)生信號Req＿out和Ack＿out不再共享同一電路，使得在節(jié)點(diǎn)L被拉高之前節(jié)點(diǎn)A不會被拉高，同樣，在節(jié)點(diǎn)R被拉低之前節(jié)點(diǎn)B不會被拉低，這樣就消除了門延時失配導(dǎo)致電路失效的情況。 3 準(zhǔn)延時無關(guān)異步電路控制 為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)延時無關(guān)異步流水線，提出第2種控制器。圖7給出高魯棒性的單通道異步控制器，該控制器使用Muller C單元代替第1種控制器中的與非門。對于一個基本的2輸入Muller C單元，當(dāng)其輸入都為高時輸出為高，其輸入都為低時輸出為低，其他情況，輸出保持不變，圖7中所示的MullerC單元是帶有互補(bǔ)輸出的。 與第2節(jié)描述的第一個控制器類似，初始化以后，L、R和A為高電平，B為低電平，Muller C單元輸出保持不變；一旦L節(jié)點(diǎn)被前一級電路設(shè)置成低電平，Muller C單元的輸出將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，A節(jié)點(diǎn)變成低電平，B節(jié)點(diǎn)變成高電平；隨后，L翻轉(zhuǎn)成高電平，R變成低電平；當(dāng)L為高，R為低以后，Muller C單元的兩個輸入都為低，Muller C單元將再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，A節(jié)點(diǎn)為高，B節(jié)點(diǎn)為低，此時L和R節(jié)點(diǎn)浮空，該流水級處于等待前一級的請求信號和后一級的應(yīng)答信號狀態(tài)。 當(dāng)L變低以后，該控制器需要經(jīng)過3次信號轉(zhuǎn)變才能將L恢復(fù)到高電平，同時，其前一級電路在檢測到R為高后，同樣需要3次信號轉(zhuǎn)換才能將R節(jié)點(diǎn)變低。該控制器與GasP電路一樣需要6次信號翻轉(zhuǎn)來完成一個周期的操作，同樣該控制器的正、反向響應(yīng)時間也與GasP電路一致，分別為4次和2次信號轉(zhuǎn)換。但是由于Muller C單元的邏輯努力要大于自復(fù)位與非門，因此該控制器在獲得高魯棒性的同時犧牲了一定的性能。 4 模擬結(jié)果 使用TSMC O．25 μm邏輯工藝庫對文中的4個電路進(jìn)行如下Hspice模擬：反相器的尺寸分別為Wp=1．4 μm，Wn＝0．6μm，其他邏輯門的尺寸選擇以與反相器具有相同驅(qū)動能力為原則，輸出級MOS的尺寸為反相器管子尺寸的兩倍。在GasP電路中，自復(fù)位與非門中PMOS管尺寸為Wp＝2．8μm，STFB電路或非門中NMOS管的尺寸為Wn＝0．9μm。表l給出了4個控制器的模擬結(jié)果， 可以看出，與GasP電路相比，第1種控制器的正向響應(yīng)時間減小了38．1％，而相對于STFB電路，第2種準(zhǔn)延時無關(guān)控制器的吞吐率增加了15．3％。如果使用脈沖邏輯代替圖5中的復(fù)雜邏輯門，第1種控制器將在具有和GasP電路幾乎相同吞吐率的情況下，正向響應(yīng)時間卻僅為GasP電路的79．1％。 5 結(jié) 論 本文提出了兩種新型的基于單通道通訊協(xié)議的高速異步流水線控制器。第1種控制器正向只需要兩次信號翻轉(zhuǎn)，模擬結(jié)果顯示其正向響應(yīng)時間與最具有競爭性的GasP電路相比減少了38．1％，使用TSMCo．25μm的工藝庫模擬，該電路可以工作在2．2GHz。同時，為進(jìn)一步簡化時序驗(yàn)證而提出的第2種使用Muller C門的QDI單通道異步流水線控制器，與流行的準(zhǔn)延時無關(guān)電路STFB相比其面積代價大為減少，并且吞吐率提高了15．3％。 |
