基于FPGA的全局異步局部同步四相單軌握手協(xié)議實現(xiàn)

摘 要： 在常規(guī)FPGA中設計了基于LUT的異步狀態(tài)保持單元，實現(xiàn)了全局異步局部同步系統(tǒng)的接口電路、時鐘暫停電路，進一步完成四相單軌握手協(xié)議?；赒uartus軟件的邏輯鎖定技術，采用Verilog HDL進行行為描述，構建了無冒險C單元庫。在Altera CycloneⅡ EP2C35F672C6器件上，完成了GALS系統(tǒng)的時序仿真，證明了四相單軌握手的正確性。
關鍵詞： 四相單軌握手協(xié)議；FPGA；Muller C；GALS；無冒險

異步電路所具有的低功耗、低電磁噪聲輻射、高速等突出特點，使其逐漸成為當前設計的焦點?，F(xiàn)有異步電路的實現(xiàn)方法往往通過定制的VLSI結構完成，或者設計獨特的異步FPGA結構來實現(xiàn)，而現(xiàn)有基于常規(guī)FPGA設計的異步電路，往往難于解決其中的冒險、延遲等問題。
全局異步局部同步[1]GALS(Globally Asynchronous Locally Synchronous)系統(tǒng)，結合了同步設計和異步設計的優(yōu)點，在解決多時鐘域問題和模塊更新的復用性等方面有巨大優(yōu)勢，其特點是在各同步模塊需要處理時才工作，其余時間可以處于暫停狀態(tài)，不用引入太多異步單元，較易于使用常規(guī)FPGA實現(xiàn)，特別是在現(xiàn)有SoC[2]系統(tǒng)中多同步模塊異步互聯(lián)方面有著突出優(yōu)勢，且其具有低功耗、高吞吐量的特點。
參考文獻[3]描述的是一種全局異步局部同步的專用FPGA（GAPLA），其內部結構通過同步邏輯模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算，在邏輯模塊間由同步、異步互換接口完成異步互聯(lián)，其關鍵技術是同步、異步互換接口和時鐘暫停（Pausible clocking）電路結構，而在常規(guī)FPGA中不包含這些結構。參考文獻[4]在常規(guī)FPGA實現(xiàn)GALS系統(tǒng)，是通過信號狀態(tài)轉換圖（STG）的方法設計接口電路，利用Petrify軟件實現(xiàn)的一種GALS系統(tǒng)異步封裝電路，其將接口模塊同步分解成邏輯門電路，容易產生冒險。參考文獻[5]則通過使用帶復位端的D觸發(fā)器及延遲單元來完成接口電路的設計，其接口中的延遲單元要求是FPGA內部的標準單元，而在常規(guī)FPGA中不包含此標準單元。
本文基于常規(guī)FPGA中大量的LUT結構，通過Quartus軟件的邏輯鎖定[6]技術將設計的C單元鎖定在一定區(qū)域，保證了C單元的無冒險性，同時建立標準C單元庫。使用C單元實現(xiàn)了GALS系統(tǒng)所需要的延遲電路、接口電路、時鐘暫停[7]電路。利用狀態(tài)機設計的計數(shù)器作為同步模塊，基于四相單軌握手協(xié)議[8]，完成兩同步模塊的異步互聯(lián)。
1 點對點GALS系統(tǒng)
GALS系統(tǒng)從局部來看各同步模塊獨立設計；從全局來看，各模塊彼此時鐘獨立，以各自工作頻率獨立運行，其互聯(lián)通過設計的異步接口完成。且各同步模塊時鐘具有可暫停性，保證不需要數(shù)據(jù)處理時時鐘不運行的效果，具有低功耗的特點。點對點GALS系統(tǒng)是采用單點同步模塊對應單點通信的方式實現(xiàn)的異步電路。整個結構由三部分組成：局部同步區(qū)域、握手區(qū)域、時鐘可暫停區(qū)域。在同步區(qū)域完成的是同步模塊的設計，其同步模塊可更新復用；握手區(qū)域通過同步、異步互換接口及鎖存器完成，由兩邊同步模塊發(fā)送的WR、RD信號來觸發(fā)握手區(qū)域進行握手；時鐘可暫停區(qū)域由內部產生的時鐘及握手區(qū)域輸出的暫停信號（STRETCH）進行時鐘的調整，確保系統(tǒng)的低功耗運行。其組成框圖如圖1所示。

在點對點GALS系統(tǒng)中，設計的重點是接口電路及局部時鐘可暫停模塊，由于不需要引入外部時鐘，所以在全局復位后，時鐘可暫停模塊就應當產生時鐘信號，時鐘信號的頻率根據(jù)各同步模塊需求情況設定。在同步模塊的設計中，其既要有數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，又要產生上級的接收信號（RD）和下級的數(shù)據(jù)處理完畢信號（WR），以確保電路接連不斷地工作。
2 狀態(tài)保持單元的設計
異步電路中為了避免冒險現(xiàn)象的發(fā)生，常需要設計一些適合異步電路的狀態(tài)保持單元，通常難于設計的就是無冒險的Muller C單元，且其為異步電路的重要組成部分。Muller C標準單元（c_std）的基本功能為：當輸入信號A、B同時為“1”時，輸出S為“1”；當輸入信號A、B同時為“0”時，輸出S為“0”；當輸入信號A、B處于其他狀態(tài)時，輸出保持原信號。從而當輸出信號為“1”時，就能指示輸入信號都為“1”。輸出為“0”的情況同理。由此可以看出其信號的跳變能夠指示或確認其他信號的跳變情況，這樣就能夠確保電路避免冒險現(xiàn)象的發(fā)生。而通過邏輯門設計的C單元，常因內部連線延遲以及門延遲的特性，使得其映射到FPGA內部時會出現(xiàn)冒險現(xiàn)象，因而只有通過建立查找表結構的方式設計C單元，才可使得映射到常規(guī)FPGA時避免冒險發(fā)生。
在圖1的GALS系統(tǒng)中使用到的4種標準的C單元，采用Verilog HDL語言編寫，通過編譯生成.QSF文件，利用Logic-Lock技術生成網(wǎng)表文件，通過這三個文件即可建立常規(guī)FPGA可調用的無冒險C單元庫。圖2描述的是4種C單元庫文件符號及c_std相應的Verilog描述。在C單元庫中的c_clr_l單元具有置0功能，而c_clr_h具有置1功能。表1列出4種C單元的lut_mask值。

參考文獻[9]使用的是門電路描述的C單元，在EDA軟件對其進行綜合編譯時，容易受到其余同步電路的影響而產生冒險。本文對基于LUT實現(xiàn)的C單元，需要將輸出反饋回輸入的一端，同時使用Quartus軟件的邏輯鎖定（Logic-Lock）方式，將C單元綜合、布局于一定的區(qū)域內，可以避免在與其余電路綜合時發(fā)生冒險，具有較高實用價值。
3 接口電路及時鐘暫停電路的實現(xiàn)
四相單軌握手協(xié)議，廣泛應用于時序假設中，通?？梢允闺娐帆@得最好的性能。而在控制電路設計中，最簡單的四相單軌握手電路通過一個C門和一個非門組成，即異步電路中常用的Muller流水線[10]。本文采用手工設計方式實現(xiàn)的握手接口電路就是基于Muller流水線的思想，如圖3所示。
圖3（a）實現(xiàn)的wport接口電路，在全局CLEAR信號為高電平時對全局電路進行復位，其輸出REQ、STRETCH信號全為低電平。局部同步模塊產生一個WR信號（即同步模塊處理完畢）時，通過延遲取反相“與”后輸出一個脈沖。當ACK信號為低電平時，左邊的C單元輸出為“1”，即其暫停信號（STRETCH）置為“1”，停止同步模塊時鐘運行，此時由于右邊的C單元的輸入都為“1”，則發(fā)出請求信號，完成一次請求；當ACK信號為高電平時，由于右邊C單元的置0位為“1”，從而停止請求，實現(xiàn)了一次四相單軌通信。
圖3（b）中的rport接口電路，在同步模塊發(fā)出處理完成信號時，其左邊的C單元置1位輸入是由RD產生的脈沖信號，從而其輸出STRETCH為“1”，即要求同步模塊時鐘停止，在其請求信號REQ為“1”時，ACK輸出為“1”；當REQ為低電位時，由于左邊C單元輸出為低電位，則ACK輸出為“0”，實現(xiàn)了一次四相單軌通信。

結合兩接口電路的四相單軌通信則可實現(xiàn)GALS系統(tǒng)的模塊互聯(lián)。對接口電路延遲單元的設計則使用單個標準C單元c_std實現(xiàn)，通過時序約束其延遲量可達到5.125 ns，對整個電路的設計具有較好的延遲效果，且無冒險現(xiàn)象。
在GALS系統(tǒng)中，有些同步模塊可能沒有自帶的時鐘信號，常需要系統(tǒng)內部產生特定頻率范圍的時鐘信號，所以可暫停時鐘的設計是必須的。實現(xiàn)方法是基于一個C單元及一個延遲單元，以及可隨意調節(jié)的分頻器組成，通過C單元設計的時鐘電路可產生頻率高的時鐘。當CLEAR信號置高時，對電路清0，經(jīng)過延遲取反后，C單元的輸入為1，則輸出即為1，以此類推，則產生時鐘信號。局部時鐘模塊的實現(xiàn)如圖4所示。通過時序仿真，CLK在未加分頻器的情況下可高達500 MHz以上。由于超過目前FPGA的最高時鐘，從而其需要通過分頻來達到設計要求。此時鐘電路根據(jù)同步模塊需求，頻率可進行任意調節(jié)，具有較大實用性。

4 GALS系統(tǒng)實現(xiàn)及測試
為了測試由FPGA實現(xiàn)的四相單軌握手協(xié)議電路的性能，通過狀態(tài)機設計無冒險的計數(shù)器作為GALS系統(tǒng)兩端的同步電路，采用Altera公司CycloneⅡEP2C35F6-
72C6器件作為測試器件，通過邏輯鎖定技術將標準C單元模塊添加進設計中，通過建立wport、rport的父區(qū)域(Parent Region)鎖定模塊，將子區(qū)域(Child Region)鎖定的C單元添加進父區(qū)域鎖定模塊，保證了各自時序的獨立性，確保了電路功能的實現(xiàn)。其時序仿真結果如圖5所示。