單通道通訊模式異步流水線控制器

　　摘 要：為了實現(xiàn)異步電路在實際應(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，實現(xiàn)了時序驗證上的極大簡化。

　　關(guān)鍵詞：大規(guī)模集成電路；異步電路；異步流水線；準(zhǔn)延時無關(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，正受到越來越多的關(guān)注。異步流水線是異步電路實現(xiàn)的主要形式，從而得到廣泛研究，實用的異步流水線結(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，為了簡化時序驗證，另一種具有更強魯棒性的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，時序驗證是一項復(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A被驅(qū)動到低電平，經(jīng)過一級反相器，節(jié)點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A電平為高后，節(jié)點L通過上拉的PMOS恢復(fù)到高電平，經(jīng)過兩級延時，節(jié)點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L變低到節(jié)點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R變高到節(jié)點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A由低向高的翻轉(zhuǎn)速度。同時，GasP電路不利于實現(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L0、L1、R0、R1以及A均為低電平，節(jié)點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)點設(shè)置成低電平。當(dāng)S0為低時，節(jié)點A和節(jié)點R0被驅(qū)動成高。節(jié)點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)點由高電平變成低電平，防止S0、S1節(jié)點被再次拉高，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L、R和A均為高電平，節(jié)點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)點驅(qū)動為低電平時，經(jīng)過一級門延時，節(jié)點B被驅(qū)動成高電平，經(jīng)過兩級門延時節(jié)點A被驅(qū)動成低電平，節(jié)點R被驅(qū)動成低電平。在節(jié)點A為低以后，L節(jié)點通過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給出了以上描述的輸入受限(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A和