异步电路简介（1/3）

整理了近期学习的一些异步电路知识。

outline:

同步电路

异步电路

异步通信

异步模块简图

数据编码方式

组合逻辑与C单元

异步电路基本单元

1. 同步电路

所有状态翻转发生在同步时钟的跳变沿；

时钟沿之间可以有glitch，但需要满足set-up/hold times；

时钟周期大于最大延迟。

设计挑战：

时钟扭曲（clock skew）现象：要求时钟同步；

高性能处理器中时钟树功耗大约占总功耗的35%~40%；

2. 异步电路

采用请求（req）和应答（ack）的握手方式进行通信。

优势：

功耗低

能获得平均性能

电磁兼容性好

工艺可移植性

模块化，易于集成

无时钟偏移

设计挑战：

1. 实现握手功能的异步控制单元的耗费

2. 缺乏成熟的设计方法和EDA工具

同步电路的逻辑综合、自动布局布线、时序分析、测试工具、测试向量生成工具都不能适用于异步电路的设计

3. 验证、性能分析和优化难度很大

3. 必须消除电路的竞争、冒险和毛刺

异步电路产品：

3. 异步通信

四相位握手协议：

电平信号表示控制信号的请求和应答；

控制信号需要归零；

两相位握手协议；

控制信号的请求和应答通过跳变沿来表示；

理想情况下，两相捆绑协议快于四相捆绑协议，但事件响应的电路实现经常很复杂。

4. 异步模块简图

5. 数据编码方式

双轨编码方式（dual rail）：

每一比特位用两根线来表示，请求信号编码到数据信号中，对线延迟不敏感

捆绑编码方式（boundled data）：

存在有效性信号（类似于没有周期的时钟信号）；

当有效信号无效时，数据线可以有毛刺；

n-bit数据通信需要n+1根线；

One-hot编码方式：

使用N位状态寄存器对N个状态进行编码，每个状态都有独立的寄存器位，任意时候，其中一位有效。

6. 组合逻辑与C单元：

组合逻辑的门延时

C单元

也称Muller C单元

状态保持单元，类似于异步复位置位锁存器；

实现时间“与”操作，也被称为事件逻辑；

用C单元实现四/两相位捆绑协议

7. 异步电路基本单元

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参考文献：

异步电路设计 (豆瓣)​book.douban.com