單通道通訊模式異步流水線控制器

　　摘 要：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(hào)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(shí)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(jià)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)序驗(yàn)證上的極大簡(jiǎn)化。

　　關(guān)鍵詞：大規(guī)模集成電路；異步電路；異步流水線；準(zhǔn)延時(shí)無(wú)關(guān)電路

　　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(lái)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(shí)無(wú)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(hào)轉(zhuǎn)換相比，該控制單元的正向響應(yīng)只需要2次信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而大大減小了流水線的正向響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化時(shí)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(wèn)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(lái)完成數(shù)據(jù)交換，本文根據(jù)通訊通道的延時(shí)模型將其分為有限延時(shí)通訊通道和準(zhǔn)延時(shí)無(wú)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(shí)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(shí)模型決定了請(qǐng)求信號(hào)與數(shù)據(jù)有效之間存在復(fù)雜時(shí)序關(guān)系，在物理設(shè)計(jì)時(shí)，時(shí)序驗(yàn)證是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。準(zhǔn)延時(shí)無(wú)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(qǐng)求信號(hào)指示數(shù)據(jù)有效，這樣也就有效避免了請(qǐng)求信號(hào)與數(shù)據(jù)有效信號(hào)之間復(fù)雜的時(shí)序關(guān)系。準(zhǔn)延時(shí)無(wú)關(guān)通訊通道有效地簡(jiǎn)化了時(shí)序約束并易于實(shí)現(xiàn)異步電路的平均延時(shí)，但是，由于其需要檢測(cè)數(shù)據(jù)有效，勢(shì)必會(huì)引入額外的延時(shí)。

　　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(huì)引入額外的延時(shí)、功耗以及面積的代價(jià)，如何設(shè)計(jì)有競(jìng)爭(zhēng)力的控制器實(shí)現(xiàn)握手協(xié)議是異步電路設(shè)計(jì)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(guò)邏輯努力電路優(yōu)化之后，圖中每一次信號(hào)翻轉(zhuǎn)的延時(shí)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(jí)電路準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)L將被設(shè)成低電平，此時(shí)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(dòng)到低電平，經(jīng)過(guò)一級(jí)反相器，節(jié)點(diǎn)LE變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)鎖存器傳輸?shù)较乱涣魉?jí)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A電平為高后，節(jié)點(diǎn)L通過(guò)上拉的PMOS恢復(fù)到高電平，經(jīng)過(guò)兩級(jí)延時(shí)，節(jié)點(diǎn)R被驅(qū)動(dòng)成低電平。在A為低電平后兩個(gè)門延時(shí)，自復(fù)位與非門的兩個(gè)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(jí)電路再次將L驅(qū)動(dòng)成低電平，自復(fù)位與非門的輸出不會(huì)再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，直到后一級(jí)電路完成對(duì)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(shí)間定義為節(jié)點(diǎn)L變低到節(jié)點(diǎn)R變低過(guò)程中的信號(hào)轉(zhuǎn)換次數(shù)。反向響應(yīng)時(shí)間定義為節(jié)點(diǎn)R變高到節(jié)點(diǎn)L變高過(guò)程的信號(hào)轉(zhuǎn)換次數(shù)。根據(jù)以上定義，GasP電路的正向響應(yīng)時(shí)間為4次信號(hào)轉(zhuǎn)換，而反向響應(yīng)時(shí)間為2次信號(hào)轉(zhuǎn)換。異步流水線的輸入到輸出的響應(yīng)時(shí)間由流水級(jí)的正向響應(yīng)時(shí)間決定，因此，Gasp電路獲得高的吞吐率的同時(shí)，是以大的響應(yīng)時(shí)間為代價(jià)的。當(dāng)Gasp電路各級(jí)門的延時(shí)失配時(shí)，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(shí)，GasP電路不利于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)延時(shí)無(wú)關(guān)電路，在電路物理設(shè)計(jì)時(shí)，復(fù)雜的時(shí)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(shí)無(wú)關(guān)異步通訊。

　　工作過(guò)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(jí)電路準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，L0和L1其中一個(gè)設(shè)置成高電平，這里假設(shè)L0被前一級(jí)電路設(shè)置成高電平，這時(shí)通過(guò)與非門S0節(jié)點(diǎn)設(shè)置成低電平。當(dāng)S0為低時(shí)，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)R0被驅(qū)動(dòng)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(jí)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(jí)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(jí)。

　　從圖3不難得出，STFB控制器的正向響應(yīng)需要2次信號(hào)翻轉(zhuǎn)，而反向響應(yīng)需要4次信號(hào)翻轉(zhuǎn)，一個(gè)周期的信號(hào)翻轉(zhuǎn)次數(shù)與GasP電路一樣，都是6次。當(dāng)一個(gè)流水線的輸出受限時(shí)，流水級(jí)的反向響應(yīng)將影響其性能，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)寬數(shù)據(jù)通路的流水線時(shí)，STFB電路需要與數(shù)據(jù)寬度一致的控制器個(gè)數(shù)，因此在STFB實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要較大的功耗和面積代價(jià)。

　　2 低響應(yīng)時(shí)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(hào)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(gè)信號(hào)在進(jìn)行與非操作或者或非操作前必須有一個(gè)信號(hào)需要先做一次反相。在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，若由同一電路產(chǎn)生Req＿out和Ack＿out時(shí)，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(jí)反相門，也就是說(shuō)，正向響應(yīng)或者反向響應(yīng)需要4次信號(hào)轉(zhuǎn)換(Req＿out和Ack＿0ut到通訊通道還有一次信號(hào)反相)。

　　為了減小正反向響應(yīng)信號(hào)翻轉(zhuǎn)的次數(shù)，將信號(hào)Req＿out和Ack＿out信號(hào)的產(chǎn)生電路分開(kāi)，圖5就是基于這一思想提出的一種新的具有低響應(yīng)時(shí)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(guò)程：在初始狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)L、R和A均為高電平，節(jié)點(diǎn)B為低電平，此時(shí)晶體管M1、M2截止。當(dāng)前一級(jí)電路將L節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，經(jīng)過(guò)一級(jí)門延時(shí)，節(jié)點(diǎn)B被驅(qū)動(dòng)成高電平，經(jīng)過(guò)兩級(jí)門延時(shí)節(jié)點(diǎn)A被驅(qū)動(dòng)成低電平，節(jié)點(diǎn)R被驅(qū)動(dòng)成低電平。在節(jié)點(diǎn)A為低以后，L節(jié)點(diǎn)通過(guò)PMOS管重新被拉成高電平，表示前一級(jí)電路可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)。當(dāng)R為低電平后兩個(gè)門延時(shí)，B節(jié)點(diǎn)被重新驅(qū)動(dòng)成低電平，同樣在L為高電平后兩個(gè)門延時(shí)，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(shí)，L和R節(jié)點(diǎn)浮空，該流水級(jí)處于等待前一級(jí)的請(qǐng)求信號(hào)和后一級(jí)的應(yīng)答信號(hào)狀態(tài)。圖6a給出了以上描述的輸入受限(即請(qǐng)求信號(hào)晚于應(yīng)答信號(hào))的信號(hào)轉(zhuǎn)換情況，而圖6b是輸出受限(即應(yīng)答信號(hào)晚于請(qǐng)求信號(hào))的信號(hào)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