异步片上网络的关键技术研究

论文摘要

随着集成电路产业的高速发展,晶体管的特征尺寸迅速的缩小,电路复杂度不断增大,同步设计技术在设计、制造和应用中的局限性和缺陷逐渐明显。作为一种新的设计方法,全局异步局部同步(GALS)设计方法近年来成为了片上系统设计的研究热点。它以同步设计方式为依托,采用异步设计方式对模块进行互连,从而达到同步设计和异步设计的优势互补。同时,为了解决日益增大的数字系统带来的高设计复杂度以及全局时钟树带来的功耗和延时等一系列问题,以GALS工作方式为基础的应用—异步片上网络也逐渐引起人们的关注。异步片上网络的高模块化、时钟本地化、高并发性等优势使其成为下一代片上系统的主流互连架构。本文以异步片上网络为目标,对异步片上网络的关键模块(路由器,通道,封装,仲裁等)进行了详细的研究,对异步片上网络的工作方式,握手协议,流水方式等进行了详细的分析,在异步技术和同步技术相结合方面作了较深入的探索。本文的主要研究成果如下:1)在分析了传统异步路由器的流水工作方式后,提出了一种改善零协议逻辑异步流水线性能的设计方案,通过采用并行处理模式使流水线中的并行组合逻辑模块交替工作在空周期和数据周期下,减少了上一级异步寄存器对组合逻辑输出的空和数据信号的完成等待时间,增加了流水线单位时间内的数据处理量。2)分析了异步路由器以及传输通道的异步握手协议,并提出了片上网络通道数据传输协议转换器。给出了几种异步协议的转换器电路的具体实现。单轨转双轨协议可以提高数据传输的鲁棒性,单轨转多轨协议在提高鲁棒性的同时可以大幅降低功耗。四相转两相协议可以大幅提高数据通道的吞吐量,而两相转四相协议可以简化组合逻辑的设计。协议转换器的提出使异步片上网络的设计更加灵活多变。3)对异步片上网络的通信通道做了深入的研究,剖析了通道的工作原理,握手协议,传输特性。并在不同的设计约束目标下对异步通信通道进行了优化,分别为面积和连线优化,吞吐量和传输灵活性优化,以及速度上的优化。并根据不同的优化目标分别提出了串行连接转换器,自适应双向传输通道和单通道传输模式的新设计。为片上网络的设计提供了可选择的多种通道设计方案。4)分析了传统GALS封装的工作方式,并给出了两种双轨异步封装的设计,并包含四相和两相设计,使其适合于不同类型的传输通道,可以极大地提高同异步转换效率。给出了一系列全新的门限门,经仿真显示可以有效降低面积和静态功耗,并将新的门限门应用于异步封装中,结果显示静态功耗有明显降低。而且异步封装中加入了动态频率缩放模块,由于频率可以根据网络负载状态变化,所以动态功耗也有所降低。5)介绍了基本的片上网络仲裁器,并指出其优势和不足,并提出了一种严格先到先服务的仲裁器。并根据片上网络仲裁和虚通道分配的特点,提出了一种结合了分配功能的主动式虚通道分配的高速多源仲裁器,可以有效减小仲裁和分配时间,从而提高路由器的性能。最后针对不同的请求类型,提出了一种支持QoS的动态优先级仲裁器,可以根据输入请求的优先级对授权进行优先安排,从而使像中断操作这种需要低延时的数据包能够率先被路由,保证了服务质量。6)提出了一种新型全异步路由器的设计,解决了传统准同步路由器中包括时钟树,多时钟域互连等带来的一系列问题。异步路由器无全局长连线,减少了后端处理的难度。而且无时钟树的设计方式减少了动态功耗,因为异步电路仅用握手信号完成电路的一系列工作。本路由器使用了多源仲裁器来解决仲裁分配过慢的问题。最后通过仿真测试显示,本章的路由器在性能上有较大改善,并具有较高鲁棒性,可以满足大多数的片上网络应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 异步电路的发展历程
• 1.2 异步电路的特点
• 1.3 GALS设计方式
• 1.4 GALS的主要应用—片上网络
• 1.4.1 传统片上系统面临的限制
• 1.4.2 片上网络的优势
• 1.5 论文的主要工作
• 1.6 论文结构安排
• 第二章 异步片上网络设计基础
• 2.1 异步电路的理论基础
• 2.2 异步电路的分类
• 2.3 握手协议
• 2.4 异步电路数据编码方式
• 2.5 异步电路的基本单元
• 2.6 异步电路的初始化
• 2.7 时序控制机制
• 2.8 网络协议
• 2.9 信息传递过程
• 2.10 拓扑结构
• 2.11 交换方式
• 2.12 路由算法
• 2.13 本章小结
• 第三章 片上路由器中异步流水线及其优化
• 3.1 传统异步流水线
• 3.2 流水线优化设计
• 3.3 电路设计
• 3.4 仿真结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 异步握手协议转换器
• 4.1 四相单轨转换四相双轨转换器
• 4.2 四相单轨转换四相多轨转换器
• 4.3 四相双轨转换两相双轨转换器
• 4.4 两相双轨转换四相双轨转换器
• 4.5 本章小结
• 第五章 传输通道的设计与优化
• 5.1 片上网络中的传输通道
• 5.2 传输通道的面积和连线优化
• 5.3 传输通道的吞吐量和传输灵活性优化
• 5.4 高性能传输通道的设计
• 5.4.1 双轨单通道协议方式
• 5.4.2 多轨单通道协议方式
• 5.5 本章小结
• 第六章 异步封装的设计
• 6.1 传统单轨异步封装
• 6.2 准延迟不敏感四相双轨异步封装
• 6.2.1 发送端四相双轨异步封装
• 6.2.2 接收端四相双轨异步封装
• 6.2.3 仿真结果及分析
• 6.3 准延迟不敏感两相双轨异步封装
• 6.3.1 发送端两相双轨异步封装
• 6.3.2 接收端两相双轨异步封装
• 6.3.3 仿真结果及分析
• 6.4 支持动态频率缩放和多阈值的异步封装
• 6.4.1 漏电功耗分析
• 6.4.2 具有多阈值的低漏电NCL逻辑单元
• 6.4.3 封装的具体结构
• 6.4.4 仿真结果及分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 仲裁器的设计
• 7.1 传统仲裁器
• 7.2 严格先来先服务式仲裁器
• 7.3 具有主动式虚通道分配的高速多源仲裁器
• 7.4 动态优先级仲裁器
• 7.5 本章小结
• 第八章 用于4×4 2D mesh片上网络的全异步路由器
• 8.1 总体结构
• 8.2 包格式
• 8.3 路由算法
• 8.4 具体结构
• 8.5 性能对比分析
• 8.6 本章小结
• 第九章 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士期间参与的科研项目和研究成果
• 一、科研项目
• 二、已发表的论文