Full Text

Введение. Парадигма самосинхронной обработки цифровой информации как альтернатива синхронной была предложена в США Д. Маллером (рис. 1) в конце 50-х гг. ХХ в. [1]. Рис. 1. Дэвид Е. Маллер (1924-2009), американский математик и ученый в области компьютеров, основатель самосинхронной схемотехники В синхронной схеме период следования импульсов, поступающих на устройство, не должен быть меньше времени завершения переходных процессов в самом худшем случае. А переходные процессы чреваты такими нежелательными явлениями, как гонки (состязания) сигналов, цепей, элементов памяти и пр. Необходимо «выждать время» для гарантированного завершения этих явлений, т.е. реальные (по факту) задержки элементов не учитываются в синхронной схеме, что снижает быстродействие и производительность. Асинхронная обработка информации предполагает учет фактических задержек, однако при этом существенно усложняется синтез схем, поскольку необходим скрупулезный анализ переходных процессов «на все случаи жизни», что, как правило, для схем реальной размерности невозможно. Самосинхронные схемы (СС в том числе строго СС - ССС) предполагают фиксацию завершения переходного процесса с использованием избыточности, дополнительных элементов - индикаторов, гистерезисных триггеров (С-элементов Д. Маллера, Г-триггеров) и специальной двухфазной дисциплины функционирования. Большой вклад в развитие этой парадигмы в СССР внесла исследовательская группа В.И. Варшавского [2, 3]. Более 30 лет СС-тематика плодотворно развивается в Институте проблем информатики Российской академии наук (ИПИ РАН) Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» Российской академии наук. Выпущено прекрасное электронное учебное пособие Л.П. Плеханова [4], исследовательской группой под руководством Ю.А. Степченкова разработана целая библиотека самосинхронных элементов для базовых матричных кристаллов (БМК), выпускаемых в техническом центре Московского института электронной техники (МИЭТ), главный конструктор по направлению «Интегральные микросхемы» - А.Н. Денисов [5, 6]. Кафедра «Автоматика и телемеханика» удостоилась высокой чести быть партнером ИПИ РАН в этом направлении [7]. В 2017 г. доцент кафедры А.Н. Каменских успешно защитил кандидатскую диссертацию по этой тематике в Московском энергетическом институте. Традиции группы Варшавского продолжают ее бывшие члены, например, А. Яковлев (рис. 2) из университета Нью Касла [8, 9]. Он предложил так называемый энергомодулированный компьютинг (Energy-modulated computing) как энергосберегающее приложение ССС для управления в условиях, заданных энергоограничений («мало» энергии, низкое быстродействие, «много» энергии - высокое быстродействие). Здесь речь идет о получении, например, энергии от пьезогенератора, установленного на автомобильном мосту. «Мало» энергии значит трафик маленький, и для контроля движения не нужно высокое быстродействие. При большом трафике и быстродействие нужно большое. Это направление ССС стало преобладающим в начале 2000-х гг., в том числе на волне так называемого грин-компьютинга (Green computing), поскольку СС продемонстрировали устойчивую работу на сверхнизких напряжениях питания [10-12]. Дело в том, что большие затраты на СС приводят в ряде случаев к проигрышу в быстродействии схем реальной размерности по сравнению с синхронным вариантом. Однако и эти преференции стали проблематичными при использовании новых технологий Tri-Gate в синхронных схемах [13]. Поэтому СС-парадигма стала позиционировать себя в основном в области отказоустойчивости [14,15]. Рис. 2. Алекс Яковлев, профессор кафедры проектирования компьютерных систем, Нью Касл Тем не менее, исследования в области создания независимых от задержки схем продолжаются [16, 17]. Есть мнение, что этот подход не имеет альтернативы в наноэлектронике, в квантовых, обратимых вычислениях, и еще ждет своего звездного часа. Одним их знаковых трендов являются непрекращающиеся попытки совместить несовместимое - программируемую логику и СС-подход, например, отмеченные в [18]. Поэтому задача разработки строго самосинхронных генераторов логических функций является актуальной. Такой подход может унифицировать логику СС и, возможно, обеспечить новый класс программируемых СС-устройств (хотя бы частично, на этапе производства - для БМК). 1. Реализация самосинхронного генератора функций одной переменной 1-LUT-ST. Библиотечный элемент 2И-2ИЛИ-НЕ [5] позволяет реализовать ССС-генератор функций одной переменной. Необходимы два элемента, чтобы реализовать основной и двойственный каналы [4, 5] соответствующего мультиплексора для формирования логических функций основной F1 и двойственной F2 функций одной переменной х с основной и инверсной настройками s: (1) Настройки задаются либо константами, либо с использованием ячеек оперативной памяти. Инверсии настройки реализуются инверторами. Строго самосинхронная схема (ССС) требует индикации входов и выходов каждого элемента. Парафазные переменные по каждому элементу 2И-2ИЛИ-НЕ, в отличие от констант, должны индицироваться Г-триггером входов с использованием индикаторов на основе элементов 2ИЛИ-НЕ. Получаем выражение для входов переменных 2И-2ИЛИ-НЕ: (2) где - входная парафазная переменная, - сигнал разрешения (спейсера). Для индицирования входов переменных используем выражения индицирования I2 (для выходов возьмем I1): (3) С учетом выражения двухвходового Г-триггера [4, 5, 14] получим функцию переходов второго Г-триггера (индицирования входов переменных): (4) Соответственно, для индикации выходов двух элементов 2И-2ИЛИ-НЕ получим (первый вход первого Г-триггера): (5) Тогда выход первого (основного) Г-триггера описывается выражением: (6) С учетом выражений (1)-(6) построим в САПР «Ковчег» [19] генератор функций одной переменной 1-LUT-ST (рис. 3). а б Рис. 3. Генератор функций одной переменной 1-LUT-ST: а - схема в СПАР «Ковчег» с разомкнутой обратной связью; б - условное графическое обозначение Результаты моделирования предлагаемого генератора функций одной переменной 1-LUT-ST показаны на рис. 4. Рис. 4. Результат моделирования генератора функций одной переменной 1-LUT-ST, S0=0, S1=1 Моделирование подтверждает правильность формирования любой функции одной переменной (четыре варианта: константа нуля, константа единицы, повторение, инверсия). Видно, что в рабочей фазе оба Г-триггера обнулены, после получения нулевого набора по Х и не Х оба Г-триггера устанавливаются в единицу, что означает готовность к приему очередного набора переменных. 2. Реализация самосинхронного генератора функций двух переменных 2-LUT-ST. Рассуждая аналогично вышеописанному, получим генератор функций двух переменных 2-LUT-ST (рис. 5). а б Рис. 5. Генератор функций двух переменных 2-LUT-ST: а - схема в САПР «Ковчег»; б - результаты моделирования S0=0, S1=1, S2=1, S3=0 Моделирование вычисления суммы по модулю два подтверждает работоспособность предлагаемого технического решения (см. рис. 5). Для построенния генератора функций двух переменных 2-LUT-ST использовалось три 1-LUT-ST (см. рис. 3) и дополнительные Г-триггеры. Модель 2-LUT-ST (рис. 6). Рис. 6. Генератор функций двух переменных 2-LUT-ST на базе трех 1-LUT-ST с дополнительными Г-триггерами (настройка условно показана цифрами 0,1,2,3) 4. Реализация самосинхронного генератора функций трёх переменных 3-LUT-ST. Предлагаемая реализация генератора функций трёх переменных 3-LUT-ST представлена на рис.7: а б Рис. 7. Генератор функций трёх переменных 3-LUT-ST: а - схема в САПР «Ковчег»; б - результаты моделирования: S0=1, S1=0, s2=1, s3=0, s4=1, s5=0, s6=1,s7=0, x1=0, x1’=1, x2=0,x2’=1, x3=1, x3’=0 Моделирование подтверждает правильность функционирования предложенного генератора функций на три переменные. На рис. 7, б видно, что спейсерная фаза чередуется с рабочей, в спейсерной фазе выходы прямого (f), двойственного канала (nef) и выход Г-триггера (I) равны 1, а в рабочей фазе выходы каналов инверсны друг другу, а выход Г-триггера равен 0. Генератор функций трёх переменных 3-LUT-ST на базе 1-LUT-ST изображён на рис. 8. Рис. 8. Генератор функций трёх переменных 3-LUT-ST на базе 1-LUT-ST (настройка условно показана цифрами 0,1,2,3,4,5,6,7) 5. Топологическое моделирование. Разработаем топологию предложенного генератора логических функций 1-LUT-ST и выполним моделирование в системе схемотехнического моделирования NI Multisim 14 фирмы National Instruments Electronics Workbench Group [20] и Microwind [21]. На рис. 9 транзисторы Q1, Q2, Q23, Q24 реализуют основной канал, а транзисторы Q7, Q8, Q25, Q26 - двойственный канал. Транзисторы Q5, Q6, Q19 и Q20 реализуют цепочки спейсера. Ключи S0, S1, neS0 и neS1 задают константы (ячейки SRAM). Индикатор выходного сигнала реализован на транзисторах Q42-Q47. Транзисторы Q30-Q33 реализуют входной индикатор. Для реализации Г-триггера используются транзисторы: Q21, Q22, Q27, Q28, Q29, Q34 - Q40. На рис. 10 видно, что генератор функций работает верно. В рабочей фазе 10 и 01 выходы F1 и F2 инверсны, а в фазе спейсера F1 и F2 равны 1. Рис. 9. Генератор функций одной переменной 1-LUT ST в системе схемотехнического моделирования NI Multisim 14 Рис. 10. Результат моделирования генератора функций одной переменной 1-LUT ST в системе схемотехнического моделирования NI Multisim 14 Далее выполним топологическое моделирование 1-LUT ST в САПР MircoWind. Моделирование разработанной топологии подтверждает правильность функционирования предложенного элемента (рис. 11). а б Рис. 11. Генератор функций трёх переменных 1-LUT-ST: а - топология; б - результаты моделирования Выводы. Таким образом, предложен метод реализации самосинхронных генераторов логический функций на основе блока из двух элементарных мультиплексоров 2И-2ИЛИ-НЕ, индикаторов и Г-триггеров. Функция задается константами на входах мультиплексора, которые не индицируются. Предложены схемы генераторов функций одной, двух и трех переменных. Возможно построение генератора n (n = 2,3,4…) переменных путем каскадирования генераторов одной переменной с дополнительными Г-триггерами. Выполнено моделирование в САПР «Ковчег», Малтисим, Microwind. Разработана топология универсальной ячейки. Моделирование подтвердило работоспособность разработанных устройств.

About the authors

A. Yu Skornyakova

Perm National Research Polytechnic University; PJSC «Perm Scientific-Industrial Instrument Making Company»

S. F Tyurin

Perm National Research Polytechnic University; Perm State University

References

Statistics

Views

Abstract - 52

PDF (Russian) - 20

Refbacks

• There are currently no refbacks.