Содержание к диссертации
Введение
1. Традиционные системы синхронизации 8
1.1. Основные понятия и определения 8
1.2. Предыдущие исследования и постановка задачи 13
1.3. Методология разработки быстродействующих энергосберегающих элементов синхронизации 20
1.4. Критерий сравнения различных реализаций триггеров 26
1.5. Основные конфигурации триггеров и их оптимизация 32
1.6. Применение методологии разработки высокопроизводительных и энергосберегающих триггеров 39
2. Синхронизация устройств, построенных с использованием динамических элементов 45
2.1. Предыдущие исследования и постановка задачи 45
2,2. Классификация способов синхронизации устройств, построенных с использованием динамических элементов 47
2.2.1. Стандартная система синхронизации «домино» 48
2.2.2, Система синхронизации, организованная по методике задержанного сброса.,. 52
2.2.3. Системы синхронизации, организованные по методике самовосстановления,..58
2.2.4, Система синхронизации «домино», допускающая фазовые разбросы 64
2.3. Сравнительный анализ систем синхронизации 66
2.3.1. Стандартная система синхронизации «домино» 67
2.3.2. Метод задержанного сброса 68
2.3.3. Метод самовосстановления 69
2.3.4. Синхронизация по методу «домино», допускающему фазовые разбросы 71
2.3.5. Сравнение методов синхронизации 72
3. Системы синхронизации с предельным быстродействием 77
3.1. Общая структура конвейерной системы с предельным быстродействием 77
3.2. Временные соотношения для синхронизации устройств, построенных на динамических вентилях 82
3.3. Методика построения высокоэффективных систем синхронизации 91
3.3.1. Методика организации синхронизации динамической системы с предельными характеристиками быстродействия 91
3.3.2. Исследование оптимальной производительности для системы с предельными характеристиками быстродействия 98
3.3.3. Методика организация синхронизации динамической системы с высоким быстродействием и длинными рабочими импульсами 102
3.4. Дополнительные аспекты проектирования 109
3.4.1. Надежность и контролепригодность системы синхронизации 109
3.4.2. Методология расчетов разбросов задержек по цепи вычисления и восстановления I'll
3.4.3. Оценка разбросов задержек по цепи вычисления и восстановления 117
3.4.4. Мощность динамических систем 120
4. Программные средства оптимизации динамической системы синхронизации 122
4.1. Программное средство для автоматизации проектирования системы синхронизации с предельными характеристиками быстродействия 123
4.1.1, Модели используемых вентилей 123
4.1.2. Принцип работы программы автоматической настройки системы синхронизации 126
4.2. Программное средство для верификации временных соотношений в динамической системе синхронизации 129
4.3. Практическое применение программного средства 131
5. Примеры использования динамических систем синхронизации 133
5.1. Целочисленный 32-разрядный сумматор 133
5.1.1. Общая структура сумматора 133
5.1.2. Логическая организация сумматора 135
5.1.3. Основные схемотехнические решения 137
5.1.3.1. Входные регистры 137
5.1.3.2. Схемы PGK генераторов и функций обходных цепей 139
5.1.3.3. Схемы переноса 141
5.1.3.4. Дифференциальные усилители 142
5.1.4. Синхронизация сумматора 143
5.2. Умножитель 32x32 155
5.2.1. Логическая структура умножителя 155
5.2.2. Схемотехника умножителя и основные характеристики 157
5.3. Умножитель 8x8 167
Заключение
- Методология разработки быстродействующих энергосберегающих элементов синхронизации
- Классификация способов синхронизации устройств, построенных с использованием динамических элементов
- Временные соотношения для синхронизации устройств, построенных на динамических вентилях
- Принцип работы программы автоматической настройки системы синхронизации
Введение к работе
Проектирование системы синхронизации является одним из ключевых этапов разработки цифровых устройств, поскольку она обеспечивает управление потоками данных для корректного выполнения логических операций. Фактически, для современных микропроцессоров система синхронизации обеспечивает согласованную работу миллионов логических элементов, Система синхронизации используется и для реализации функции конвейеризации, позволяющей эффективно переиснользовать аппаратуру для параллельных вычислений. Для микропроцессоров система синхронизации также является связующим звеном между двумя уровнями - архитектурным, где существенную роль играет организация конвейера, и схемотехническим, где характеристики сипхросистемы определяют производительность разрабатываемых устройств. Отметим важную роль, которую система синхронизации играет при диагностике и отладке микропроцессоров.
Актуальность работы. Схемотехническая реализация системы синхронизации связана с рядом накладных расходов, определяемых технологическими разбросами, изменением условий функционирования отдельных частей системы, неравномерностью нагрузок, В конечном итоге эти факторы приводят к снижению производительности микропроцессора. Часть накладных расходов обусловлена свойствами элементов хранения, используемых в системах синхронизации. Система синхронизации вносит существенный вклад в общую мощность потребления, так как синхросигнал характеризуется максимальной активностью переключений (рис.1). Поэтому как для достижения высокой производительности, так и для целей энергосбережения, оптимизация системы синхронизации является весьма актуальной задачей.
Современные тенденций ставят дополнительный вызов для разработки системы синхронизации. К ним следует отнести:
Усовершенствование архитектуры микропроцессоров. Для увеличения производительности организация конвейера делается все более и более агрессивно -увеличивается глубина конвейера, а число логических уровней внутри конвейерной ступени снижается. В результате увеличивается как относительное число триггеров, так и их вклад в общую производительность системы.
Развитие КМОП-технологии. определяющее рост частоты микропроцессоров при переходе к более совершенным технологическим процессам (рис. 2).
Увеличение степени интеграции, приводящее к росту флуктуации напряжения питания и наводок, что в свою очередь ведет к увеличению вклада разбросов фронтов синхросигналов в ограничение минимального периода тактовой частоты. С увеличением степени интеграции длина пути распространения синхросигнала и нагрузка на синхросигнал растут, что увеличивает разбросы фронтов.
Уменьшение технологических размеров, приводящее к росту неточности контроля за размерами структур на кристалле в процессе изготовления, что вызывает увеличение разбросов фронтов синхросигнала.
Увеличение сложности новых разработок (см. рис. 3), требующее соответствующего усложнения механизмов отладки. Одно из распространенных решений - включение в элементы синхронизации дополнительной функциональности для диагностики, что усложняет нахождение оптимальных схемотехнических решений.
Ограничение ресурса теплоотводящих систем и рост рынка мобильных устройств, предъявляющие повышенные требования к величине рассеиваемой мощности современных микропроцессоров. Это усложняет задачу разработки высокоэффективных систем синхронизации, поскольку зачастую решения для снижения мощности приводят и к уменьшению производительности. Технологическая тенденция по увеличению концентрации тепловыделения на кристалле (см. рис. 4) подчеркивает актуальность задачи снижения мощности.
Система СИ
0Кэш
Исполнит. Устр-ва
БЭ Управление
D Драйверы ввода/вывода
Рис.1. Диаграмма распределения мощности для микропроцессора Alpha21164 [1].
Тенденции роста частоты высокопроизводительных микропроцессоров
Pentium 4
Amiori21(J0
я ь о
I-о «
о:
і 1000 о
:ray-1 &
Crav-X-MP
CDC-Cyijor'
эО!1Йит
АШІОПІЖХЬ
Athlon1
Itanium
PowurPCo
Aihion
Itanium
Alpha 21204 Pl!l Xr'on
* «Alpha 21104 Exponential»
Alpha 21164 .1ВМЄШ)
Alpha 21064 * UltraSparcll
BM 3090 .MIPS-X
2005 Год
Рис.2. Характеристики быстродействия ведущих микропроцессоров
[2]-
Высокие требования как к производительности, так и к мощности современных цифровых устройств, в совокупности с дополнительными сложностями, вызванными упомянутыми выше тенденциями, требуют новых подходов к разработке высокоэффективных систем синхронизации. Необходима более сложная методология разработки системы синхронизации с учетом оптимизации не по единственному параметру, а как минимум по двум - мощности и быстродействию. Так, для статической схемотехники, характеризуемой конструктивно малой потребляемой мощностью, актуальным становится нахождение быстродействующих схемотехнических решений. Для динамической схемотехники, наоборот, - быстродействие является конструктивным параметром, здесь требуются решения для сокращения мощности и накладных расходов на синхронизацию и предзаряд вентилей, что в конечном итоге позволяет дополнительно повысить производительность.
CCf
в a. о
І (а a.
EV4 EV5 EV6 EV7 EV8
Рис.3. Увеличение сложности современных микропроцессорных систем па примере нескольких поколений микропроцессоров фирмы DEC/Compaq
[3].
70 СО 50 40 30 20 10
о.?. 'З.е о.їс ;.::. о.1.1, о.із о.іо о.от
Pro»» ''["JCrcnS!
Рис. 4. Эволюция концентрации мощности на кристалле [4].
Цель исследования. Целью диссертационной работы являлось нахождение эффективных логических и схемотехнических решений для проектирования высокопроизводительных энергосберегающих систем синхронизации конвейерных устройств как на статической, так и па динамической КМОП логике.
В соответствии с целью исследования в работе предложены и исследованы схемотехнические методы разрабогки систем синхронизации, позволяющие эффективно решать обозначенные проблемы. Рассмотрен весь спектр цифровых устройств, начиная от нацеленных на применения, требующие энергосбережения, и заканчивая предназначенными для высокопроизводительных вычислений. В главе 1 представлена обобщенная методология проектирования триггеров для статических устройств в широком диапазоне требований как на тактовую частоту, так и на мощность потребления.
В главе 2 исследованы основные подходы, используемые в современных высокопроизводительных микропроцессорах для синхронизации устройств на динамической схемотехнике, и проведен сравнительный анализ основных параметров. 13 главе 3 рассмотрена методология построения системы синхронизации без временных потерь для устройств, построенных с использованием динамической логики. В главе 4 представлено программное средство для автоматизации проектирования системы синхронизации без временных потерь и ее временной верификации. В главе 5 представлены практические результаты применения методологии. В заключении приведены основные результаты, полученные в работе.
Методология разработки быстродействующих энергосберегающих элементов синхронизации
Основа методологии - это поле выбора, где при заданной спецификации на мощность и/или быстродействие должен быть выбран оптимальный вариант реализации триггера, учитывая существующий компромисс между этими характеристиками. Поэтому исходным этапом методологии является определение аргументов и функций в данном поле.
Аргументами выбраны: конфигурация триггера (его структура), схемотехнические размеры конфигурации и напряжение питания (см. рис. 1.3.1). Отметим, что это самое общее поле аргументов из рассмотренных в работах [28][29J[30][31][32]. При выборе конфигурации триггера учитываются приведенные выше факторы (1)-(3). Обязательной для рассматриваемых элементов является возможность интеграции в схему триггера логической функции и/или скан-цепи. Подробно выбранные конфигурации представлены в разделе 1.5. В соответствии с конечной целью новой методологии разработки элементов синхронизации в качестве функций оптимизации выбраны сразу две характеристики триггера - быстродействие и мощность. В то время как площадь также является немаловажной характеристикой реализации, в данной работе как параметр оптимизации она не рассматривается, хотя ее оценка может быть сделана на основе известных схемотехнических размеров.
Важной основой методологии является корректный выбор величин, характеризующих обозначенные функции. При оценке быстродействия триггера недостаточно использовать лишь его задержку, так как время предустановки также влияет на общее быстродействие всей системы в соответствии с формулой (1.1.1), и суммарные временные потери из-за использования триггера задаются формулой (1.3.1); ta. . , =DDr+DC0 (1.3.1) flip-Пор overhead -"- -и Здесь в свою очередь встает вопрос о корректном определении времени предустановки, так как это напрямую влияет на выбранную характеристику быстродействия триггера (1.3.1). Очевидным критерием для такого определения является необходимость минимизации данного выражения [28]. Действительно, так как время предустановки триггера равно временному интервалу между приходом сигнала данных и приходом синхросигнала, а его задержка - временному интервалу между приходом синхросигнала и появлением сигнала на выходе, их сумма равняется действительной величине, характеризующей временную потерю - задержке от входа данных до выхода триггера (см. рис. 1.1.2). Однако, задержка Deo триггера зависит от времени предустановки DDC - общий вид такой зависимости представлен на рис. 1.3.2. Очевидно, при больших временах предустановки задержка триггера постоянна (не зависит от времени предустановки). По мере приближения момента прихода сигнала данных к моменту прихода синхросигнала ввиду конечности фронтов сигналов «закрывающие» транзисторы триггера выключаются не сразу, и задержка увеличивается за счет большего сопротивления на пути прохождения сигнала данных. При дальней/нем снижении времени предустановки триггер перестает запоминать входную информацию ввиду позднего прихода сигнала данных - в этом случае можно принять задержку равной бесконечности, Тогда сумма (Азе + DCQ) имеет минимум, который и определяет оптимальное время предустановки. Математически минимально возможная потеря при использовании триггера задается формулой: D = DDC+DCQ=mm(DDC+nisii{D ;D )) (1.3.2) которая и будет использована в качестве характеристики быстродействия в дальнейшем. При записи (1,3.2) учтено, что в общем случае задержки триггера неодинаковы для случаев переключения из «1» в 0»(D) и из «О» в «1» (/).
Па практике используются и другие определения времени предустановки -например, проиллюстрированное на рис. 1.3.2 и задаваемое как величина, при которой задержка триггера увеличивается на 5% по сравнению с таковой при бесконечном времени предустановки [31]. Связано это с большей легкостью практического подсчета времени предустановки в соответствии с таким определением, так как поиск минимума требует множества итераций при временной аттестации триггера. Тем не менее, в данной работе принято теоретически корректное определение (1.3,2), а способы решения обозначенных сложностей рассмотрены в разделе 1.4.
Характеристикой мощности триггера является энергия переключения, включающая следующие составляющие, проиллюстрированные нарис. 1.3.3: - энергия, обусловленная нагрузкой, которую триггер представляет для дерева синхросигнала (входной емкостью синхровхода триггера) Бак\ - энергия, обусловлен:/ая нагрузкой, которую триггер представляет для внешнего источника входных данных (входной емкостью входа данных триггера) Е[ ; - энергия переключения внутренних узлов триггера /,„; - ЭНерГИЯ ПерСКЛЮЧеНИЯ ВЫХОДНОЙ НагруЗКИ Е/оаф
Классификация способов синхронизации устройств, построенных с использованием динамических элементов
Рассмотрим основные способы синхронизации, применяемые в современных высокопроизводительных микропроцессорах для устройств, построенных на динамической схемотехнике.
По методике восстановления динамические системы можно разделить на системы с одновременным сбросом и системы с последовательным сбросом. Примером системы с одновременным сбросом является система синхронизации микропроцессора «Alpha» фирмы DEC. где все вентили системы разбиты на полутактовые ступени с чередующимися фазами вычисления и восстановления. При этом все вентили ступени, находящейся в фазе восстановления, одновременно сбрасываются низким уровнем глобального синхросигнала, заводимого на них. «Платой» за простоту такого подхода является наличие дополнительных синхротраизисторов в каждом вентиле схемы, а также потери, связанные с триггерными станциями, осуществляющими хранение информации во время фазы восстановления. Рассмотрим данную систему синхронизации более подробно.
Классическая схема синхронизации динамических вентилей «домино» представлена на рис. 2.2,1. На входах логических устройств используются локальные синхроусилители, которые усиливают глобальный синхросигнал и подают его на все логические схемы типа "домино" и триггера-защелки, стоящие на входах каждой полутактовой ступени. Этот подход позволяет одним группам динамических элементов предварительно заряжаться, подготавливая логику этих ступеней конвейера к фазе вьиисления, в то время как другие логические группы находятся в активной фазе вычисления. Используемый в рассматриваемой схеме тип динамических вентилей с дополнительным транзистором синхронизации будем называть типом 1 (см. рис. 2.2.2). В последующих схемах будет применяться и второй тип вентиля без транзистора синхронизации - тип 2. Действительно, при отсутствии такого транзистора может произойти «утечка» заряда с выходного узла данного вентиля в фазе восстановления, так как имеется интервал времени, в течение которого вход предыдущего вентиля (вход А на рис. 2.2.2) сохраняет предыдущее состояние высокого потенциала, разрешающего прохождение тока к потенциалу земли.
Отметим, что на протяжении главы входные сигналы в конвейерные системы считаются «динамическими», то есть обладающими свойством монотонности (однонаправленности переключений), либо приходящими заранее на время предустановки раньше разрешающего фронта синхросигнала первого вентиля. Если же вход конвейерной системы предваряет триггер, он также считается динамическим, то есть обеспечивающим свойство монотонности выходных сигналов. Подробно методика организации интерфейса па границах статика-динамика/динамика-статика представлена в приложении 2.
Особенностью рассматриваемой динамической системы синхронизации являются накладные расходы, связанные с разбросом скважности синхросигнала (J(,Vl„) и несбалансированностью логики {tiogici&hgici)- Последнее свойство приводит к снижению частоты не только многотактных (как в случае статики с использованием MS-тригтеров), но и однотактных систем. Действительно, из-за «жестких» границ полутактовых ступеней максимальная частота определяется самой длинной из них в соответствии с (2.2.1).
Описанная система логических элементов обладает и существенными недостатками по мощности. Заведение синхросигнала требуется не только на триггера, но и на все логические вентили системы, что приводит к существенной нагрузке на еинхроусилители. Кроме того, одновременность переключения половины логических вентилей устройства приводит к значительным пиковым токам по шинам земли/питания.
Более сложная организация конвейера позволяет избавиться от многих недостатков стандартной системы и предусматривает последовательное восстановление вентилей. Организация последовательного сброса может проводиться по ряду методик, основные из которых - методика задержанного сброса (delayed reset) [49][52][57][58][59], методика самосинхронизации (selfime) [60][61][62][63] и методика самовосстановления (self-reset) [64][65][66j[67][68][69].
При применений последовательного восстановления появляется возможность избавиться от дополнительных синхротранзисторов в цепи вентилей и ряда триггерных станций, однако, при этом требуется соблюдение более жестких временных ограничений. Причиной этого является то обстоятельство, что после переключения динамического вентиля изменение входных сигналов нс приводит к переключению выхода. Следовательно, входные сигналы должны сохранять «истинные» значения только в течение времени, необходимого для надежного переключения вентиля. Поэтому последовательная подача импульсов восстановления, выровненная в соответствии с временем срабатывания вентилей, позволяет избавиться от промежуточных триггерных станций внутри ступени конвейера. Дополнительно, при последовательном восстановлении вентилей логической цепи становятся лишними нижние синхротранзисторы (footransistors), если n-канальные транзисторы закрываются раньше, чем открываются р-каналы-ше. Таким образом, для избежания возможности протекания прямых токов (и для надежного восстановления вентиля) требуется, чтобы импульс сброса приходил на вентиль лишь после того, как его входы предзаряжены.
Временная диаграмма стандартной системы задержанного сброса {delayed reset) приведена на рис. 2.2.4. Последовательность организации восстановления вентилей гарантирует, что входная логика вентиля будет закрыта в момент предзаряда, поэтому синхротранзисторы используются лишь в вентилях на границах тактовых ступеней. Данная методика накладывает ограничение на длину цепи последовательного сброса, Действительно, на рис. 2.2.5 показано, что если время восстановления превышает время переключения, то происходит последовательное обужение низкого потенциала импульсов, нижним пределом ширины которых является падежное восстановление.
Временные соотношения для синхронизации устройств, построенных на динамических вентилях
В соответствии с выводами главы 2 наиболее эффективными оказываются решения, позволяющие равномерно распределять время восстановления по времени такта. Однако, при этом должны быть соблюдены определенные временные ограничения, которые являются как обобщениями таковых для статических систем, гак и отдельными правилами для динамической системы. Ниже рассматриваются общие правила организации синхронизации (включая организацию восстановления/предзаряда) для систем, построенных с применением динамических вентилей. Частные случаи применения упомянутых правил к системам с наибольшим быстродействием, представленным в разделах 2.2.3 и 3.1, приводятся в разделе 3.3.
Рассмотрим цепь динамических вентилей, подобных изображенному на рис. 3.2.1, В общем случае вентиль включает синхровход С, вход сигнала сброса R, несколько входов логических сигналов IN і - Шп и выход О. Цепь может также включать вентили без синхровхода. Абстрагируемся от логической функции каждого из вентилей и будем считать, что по приходу последнего из логических входных сигналов при наличии разрешающего уровня на сиихровходе происходит переключение вентиля. Базовые правила синхронизации удобнее вывести, пользуясь такой упрощенной моделью. При этом будем считать, что все переключения в цепи происходят из низкого логического уровня в высокий. Звено цепи из упрощенных вентилей представлено на рис. 3.2.2. свидетельствующем о принадлежности данному (7-му) вентилю (см. рис. 3.2.3): - задержка вентиля, которая равна временному интервалу между приходом входного сигнала и появлением логического сигнала на выходе - If — совокупная задержка вентиля, которая равна временному интервалу между номинальным приходом синхросигнала, инициирующего вычисления по рассматриваемой цепи вентилей, и появлением логического сигнала на выходе - Tf - задержка восстановления вентиля, которая равна временному интервалу между приходом сигнала сброса (при закрытом синхровходе или при отсутствии сигналов на входах) и переключением выхода вентиля в исходное состояние - frcsc,f, — совокупная задержка восстановления вентиля, которая равна временному интервалу между поминальным приходом синхросигнала, инициирующего вычисления по рассматриваемой цепи вентилей и переключением выхода вентиля в исходное состояние resell Используем также следующие обозначения: Tj - длительность импульса сброса на і-м вентиле; hkew - разброс фронтов синхросигналов; Tc!ki - совокупное время прихода синхросигнала на синхровход /-го вентиля (при наличии синхровхода); ґсіи - длительность синхросигнала /-го вентиля (при наличии синхровхода); Таті?" период синхросигнала.
Будем счиїать, что все параметры вентилей Ц, treKlll т,-, tdki имеют определенное номинальное значение при данных условиях функционирования (температура, напряжение питания, параметры технологического процесса), а совокупные временные Для корректного функционирования рассматриваемой динамической цепи должен выполняться ряд соотношений.
1. Требование на достаточную ширину импульса рабочего сигнала (для переключения последующего вентиля). Фактически оно является аналогом требования на удержания для защелок в статических схемах. Таким образом, данное условие также является требованием па самое раннее возможное время прихода сигнала сброса на данный вентиль. Во введенных обозначениях время прихода импульса восстановления равно времени появления отрицательного фронта импульса рабочего сигнала минус задержка восстановления:
С«,- пшх{СГ- Г") 0-2-1) Формула (3.2.1) показывает, что на данный вентиль импульс восстановления может прийти на задержку восстановления раньше, чем переключится последующий вентиль, либо если эта разность оказывается меньшей времени переключения самого вентиля, то в момент переключения вентиля. Оба случая проиллюстрированы на рис. 3.2.4. В первом случае сигнал восстановления Rb восстанавливающий выход /-го вентиля (являющийся входом (і+1)-то вентиля и поэтому обозначенный Щ-и), подается таким образом, что отрицательный фронт входа (і+1)-го вентиля совпадает с положительным фронтом его выхода (сигнала lN;+2)- Тогда импульс рабочего сигнала (і+1)-то вентиля имеет минимальную ширину. Во втором случае самое раннее возможное время подачи импульса сброса В., ограничено временем переключения самого /-го вентиля (оно мало по сравнению с временем восстановления). Тогда отрицательный фронт входа (i+l)-ro вентиля (сигнал Щ+і) оказывается задержанным по отношению к положительному фронту его выхода (сигнал IN ).
2. Требование на достаточную ширину импульса восстановления (для переключения данного вентиля в исходное состояние) г-,. Это требование специфично именно для динамической системы:
3. Следующее требование фактически является обобщающим условием на отсутствие проскоков по минимальным цепям. А именно, новый сигнал вычисления не может прийти на данный вентиль до того, как либо закроется его синхровход (для вентилей с синхро входом), либо до того, как уйдет сигнал восстановления с его входа сброса. Иначе произойдет протекание прямого тока между потенциалами питания и земли, так как транзистор восстановления открыт разрешающим входом сигнала восстановления, а логическая цепь открыта соответствующей разрешающей комбинацией входных сигналов. Во введенных обозначениях для вентилей без синхровхода: PZ. + TiuT +T (3-2-3)
Фактически формула (3.2.3) показывает, что максимальная частота работы определяется разностью максимальной задержки по цепи восстановления и минимальной задержки по цепи вычислений.
Для вентилей с синхровходом требование (3.2.3) можно ослабить. На него новый сигнал может прийти сразу после выключения синхровхода: у"1Ш _г т .L.T""" И 2 reset! resell — cycle l-l \J.i.T/
Но для вентиля, где используются раздельные синхросигнал и сигнал сброса, должно выполняться также условие (3.2.3). где Т. следует интерпретировать, как время распространения синхросигнала до синхровхода вентиля( Т""" = Т ). Нарушение данного правила для вентиля без синхровхода проиллюстрировано нарис. 3.2.5 (1-ое нарушение).
Принцип работы программы автоматической настройки системы синхронизации
Как правило, динамическая схемотехника используется для продуктов в высокопроизводительном сегменте рынка. Тем пе менее в ряде случаев она имеет определенные преимущества по сравнению со статической и в аспекте потребляемой мощности. Факторы, положительно влияющие на мощность систем на динамической схемотехнике:
1. Монотонность и «одноразовость» переключений, что исключает возможность многократных переключений в такте (glitches), характерных для статических систем.
2. Отсутствие прямых токов во время переключений. При надлежащей организации цепей вычисления и восстановления п- и р-капальные транзисторы вентиля переключаются отдельно друг от друга, что ликвидирует протекание прямых токов, типичных для момента переключения статических вентилей.
3. Более низкая входная емкость и площадь вентилей. Дополнительно, системы с последовательным сбросом характеризуются преимуществами перед классическими организациями «домино»: - Существенно снижена нагрузка на драйвера глобальных синхросигналов, равно как снижены и требования к разбросам фронтов последних, что также снижает мощность драйверов синхросигналов. - Пиковые токи по шинам питания снижены, что как снижает уровень индуктивных помех, так и снижает перепады температур по кристаллу в связи со снижением перепадов потребления мощности.
В главе 3 проведено детальное исследование методики разработки конвейерных устройств с предельным быстродействием.
Предложена структура системы синхронизации конвейерных устройств без потерь. Также рассмотрена система, обеспечивающая возможность диагностики и отладки при минимальной потере быстродействия за счет пропорциональности ширины рабочего импульса периоду тактовой частоты.
Разработана методика организации синхронизации систем но упомянутым методам - выведены требуемые временные соотношения, обозначены основные параметры, влияющие на производительность. Проведено исследование влияния основных параметров схемы и цепи синхросигнала на производительность. В частности выведено, что оптимальная производительность достигается при равенстве задержек вычисления и восстановления в логических вентилях устройств. Дополнительно учтен архитектурный фактор возможных потерь производительности при увеличении числа ступеней конвейера.
Разработана методология расчета разбросов задержек по цепям вычисления и восстановления при изменении условий функционирования, а также сделаны оценки разбросов для типовых значений вариаций параметров.
Как показано в предыдущей главе, максимальной производительностью обладают системы с организацией восстановления вентилей методом последовательного сброса. Однако, при этом процесс проектирования устройств, особенно с нерегулярной структурой межразрядных связей, сильно усложняется, так как на уровне каждого вентиля требуется выполнение ряда соотношений, гарантирующих корректное функционирование. В частности, для многовходовых вентилей требуется соблюдение минимального общего временного интервала для всех входных сигналов для надежного переключения вентилей, требуется огсутствие пересечений входных импульсов логических сигналов и импульсов восстановления. Подробно временные соотношения разобраны в разделе 3.2. Отмегим, что для стандартной системы синхронизации за счет одновременного восстановления и привязки сигналов вычисления и восстановления к фронтам глобального синхросигнала, большинство соотношений выполняется автоматически.
Для облегчения процесса проектирования высокоэффективных систем синхронизации с последовательным сбросом (методика, изложенная в разделах 3.3.1, 3.3.3) и избежания/обнаружения ошибок было разработано вспомогательное программное средство, состоящее из двух частей.
Первая часть предназначена для автоматического расчета временных параметров системы синхронизации: расчета предельно достижимой максимальной частоты, задержек и ширин синхроимпульсов и сигналов сброса.
Вторая часть является верификатором и служит для проверки правильности временных соотношений в готовой системе с «реальными» значениями задержек по цепям восстановления и сброса. В качестве графического интерфейса также предусмотрена возможность использования программы Modelsim.
Разработанное программное средство позволяет использовать при построении системы синхронизации более точные (более сложные) модели динамических вентилей по сравнению с описанными в главе 3. Напомним, что в разделе 3.1 использовалась упрощенная модель динамического вентиля (рис. 3.2.1), предполагавшая, что такие вентили работают па подобные себе, Эта модель позволила вывести основные принципы построения системы синхронизации и основополагающие соотношения, которые должны выполняться для корректного функционирования.
Для реальных вентилей наряду с упомянутыми соотношениями требуют выполнения свойства монотонности, а именно, если динамический элемент работает на аналогичный себе, его выход должен инвертироваться. Дело в том. что предзаряженное состояние предыдущего вентиля (высокий уровень сигнала) является разрешающим уровнем для последующего и вызывает его безусловное переключение. Однако, если впоследствии на предыдущий вентиль придет низкий уровень, восстановить состояние последующего вентиля будет уже невозможно. Существует также возможность чередования динамических элементов па п- и р-логике, организовывая так называемую змеевидную логику (zipper-logic) [94]. Для такой логики уравнения (3.2,11)-(3.2,16) могут быть применены в чистом виде. Для динамической логики одного типа (например, п-канальной) уравнения (3.2.11)-(3.2.16) требуется адаптировать с учетом того, что задержка вентиля фактически складывается из двух составляющих - задержки динамического узла /; и задержки статического вентиля (инвертора) tslnin причем задержка tslali берется в направлении вычисления, то есть из низкого уровня в высокий. Соответственно задержка восстановления вентиля тогда возрастает на величину t"smlj (см. рис. 4.1.1).
