异步控制电路设计与实现关键技术研究

论文摘要

随着电路规模的扩大、设计主频的提高以及制造工艺的限制,同步电路设计遇到了前所未有的挑战,时钟偏差、时序收敛以及时钟功耗等问题日益突出。相对而言,异步电路使用本地握手信号来控制电路各模块操作的时序,从根本上解决了同步电路所面临的许多问题,并以可移植性好、模块化程度高、电磁兼容性强等诸多优势,重新引起了设计人员的重视。本文针对现有异步控制电路设计方法处理规模较小、实现能力有限以及测试难度较大等问题,对异步控制电路设计与实现等诸多关键技术进行了广泛而深入的研究。本文所取得的主要研究成果如下:1.提出了Burst-Mode状态机层次化分解技术。该技术主要包含两部分内容,一是根据简单有向图基本回路求解算法对Burst-Mode状态机进行逐级分解,得到若干相互独立的较小规模子状态机;二是设计接口状态机以解决各子状态机之间的仲裁问题。层次化分解实例表明该技术能够有效地降低Burst-Mode状态机的处理规模,较好地规避子状态机之间相对苛刻的时序要求。2.提出了Burst-Mode状态机晶体管级/门级直接映射技术。该技术将Burst-Mode状态机的状态节点与具体的电路模块（状态单元）相对应,并以状态单元晶体管级/门级实现的一般性结构为基础,详细阐述了Burst-Mode状态机线性结构、Choice结构、Merge结构以及Scale-of-two循环结构相应的晶体管级/门级实现方法及其优化结构。该技术可以极大地减小Burst-Mode异步控制电路的实现难度,降低时间开销。3.提出了逻辑综合与直接映射相结合的Burst-Mode异步控制电路层次化分解设计方法。该设计方法将Burst-Mode状态机的层次化分解技术、直接映射技术以及逻辑综合技术有机结合,首先对复杂的Burst-Mode状态机进行逐级分解;其次对各子状态机进行逻辑综合,获得相应的子控制电路模块,对接口状态机进行直接映射,获得相应的接口电路模块;最后将各电路模块按照对应信号关系进行连接得到对应的大规模Burst-Mode异步控制电路。该设计方法能够较大幅度地降低Burst-Mode电路的设计复杂性,充分利用逻辑综合和直接映射的优点,切实有效的满足大规模Burst-Mode异步控制电路的设计需求。4.提出了单固定型故障完全可测的速度无关异步控制电路实现技术。该技术针对速度无关异步控制电路故障测试的困难,以改进的、故障中断David Cell为基础,基于直接映射技术加以实现。与此同时对单固定型故障的测试策略进行了详细说明。本文以若干Burst-Mode状态机为例对所提出的Burst-Mode异步控制电路设计方法进行验证。结果表明,该设计方法切实有效,所实现的电路能够在面积开销和时间开销两个参数上取得折中。此外,本文基于所提出的单固定型故障完全可测异步控制电路实现技术对规模不等的速度无关电路加以处理,结果表明,该实现技术能够充分利用异步电路所固有的故障自检测特性,额外开销小且能够实现真速测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 同步电路设计所面临的问题
• 1.1.2 同步电路vs.异步电路
• 1.1.3 异步电路的优势
• 1.1.4 异步电路的不足
• 1.1.5 课题来源
• 1.2 相关工作
• 1.2.1 异步电路研究历程
• 1.2.2 异步电路研究现状
• 1.2.3 异步电路实例
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 Burst-Mode状态机层次化分解技术
• 1.3.2 Burst-Mode状态机直接映射技术
• 1.3.3 逻辑综合与直接映射相结合的Burst-Mode异步控制电路层次化分解设计方法
• 1.3.4 固定型故障完全可测异步控制电路实现技术
• 1.4 本文的主要工作和创新
• 1.5 论文结构
• 第二章 异步电路设计方法综述
• 2.1 基本概念
• 2.1.1 握手协议
• 2.1.2 数据编码和传输方式
• 2.1.3 延迟模型
• 2.1.4 工作模式
• 2.1.5 电路行为假设
• 2.2 异步电路基本类型
• 2.2.1 有限延迟电路
• 2.2.2 延迟无关电路
• 2.2.3 速度无关电路与准延迟无关电路
• 2.3 基于语法驱动转换的设计方法
• 2.3.1 基于CSP的描述机制
• 2.3.2 基本设计流程
• 2.4 基于控制通路/数据通路划分的设计方法
• 2.4.1 数据通路设计
• 2.4.2 控制电路设计
• 2.5 解同步设计方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 Burst-Mode状态机层次化分解技术
• 3.1 Burst-Mode状态机逐级分解
• 3.1.1 简单有向图基本回路求解算法
• 3.1.2 Burst-Mode状态机分解算法
• 3.1.3 子状态机调整方法
• 3.2 接口状态机设计
• 3.2.1 接口状态机设计步骤
• 3.2.2 子状态机再调整方法
• 3.3 层次化分解实例
• 3.3.1 基本回路集合求解
• 3.3.2 Burst-Mode状态机分解
• 3.3.3 子状态机调整
• 3.3.4 接口状态机设计
• 3.3.5 子状态机再调整
• 3.3.6 接口状态机仲裁机制
• 3.4 层次化分解技术效用分析
• 3.4.1 时间开销比较
• 3.4.2 面积开销比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 Burst-Mode状态机直接映射技术
• 4.1 晶体管级直接映射技术
• 4.1.1 晶体管级状态单元
• 4.1.2 基于直接映射技术的晶体管级实现
• 4.1.3 基本输出模块晶体管级实现
• 4.1.4 起始状态节点Reset逻辑晶体管级实现
• 4.1.5 优化措施
• 4.2 门级直接映射技术
• 4.2.1 门级状态单元
• 4.2.2 基于直接映射技术的门级实现
• 4.2.3 基本输出模块门级实现
• 4.2.4 起始状态节点Reset逻辑门级实现
• 4.3 直接映射技术效用分析
• 4.3.1 时间开销比较
• 4.3.2 面积开销比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 逻辑综合与直接映射相结合的Burst-Mode异步控制电路设计方法
• 5.1 基本设计流程
• 5.2 接口状态机设计
• 5.2.1 接口状态机设计步骤
• 5.2.2 子状态机优化方法
• 5.2.3 接口状态机仲裁机制
• 5.3 Burst-Mode电路实现
• 5.3.1 子控制电路模块实现方法
• 5.3.2 接口电路模块实现方法
• 5.3.3 基本输出模块实现方法
• 5.4 设计实例与结果分析
• 5.4.1 时间开销比较
• 5.4.2 面积开销比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 固定型故障完全可测异步控制电路实现技术
• 6.1 背景知识
• 6.1.1 故障自检测
• 6.1.2 故障模型
• 6.2 故障中断DC单元
• 6.3 故障完全可测异步控制电路实现
• 6.3.1 线性结构
• 6.3.2 Fork/Join结构
• 6.3.3 Merge/Choice结构
• 6.4 实例分析与比较
• 6.5 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果