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浅窥非同步电路设计-没有clock的数位世界

淺窺非同步電路設計-沒有 Clock的數位世界 作者 : 楊榮林 (南台科技大學助理教授) 前言 非同步電路(asynchronous circuits)—簡單說就是一種沒有時脈 (clock less)的循序數位電路 (sequential circuits) 。在五○年代學者(D. E. Muller 及 W. S. Bartky) 就已經提出非同步的設計理念了,但因其在實作上較同步電 路複雜許多,仍致以總體時脈 (global clock)為主的同步電路(synchronous circuits) ,自六○年代起即儼然成為數位電路設計的主流,以致非同步電路領 域的研究停歇了好一段漫長的時間。 自個人電腦及相輔的資訊產品相繼問市後,從早期的 4位元至現今的 64位 元主流微處理器(CPU) ,人們不斷地挑戰數位電路設計 技術的極限,不管是時脈 的提升、電晶體的微縮及晶片結構複雜度的與日俱增,已令數位電路設計面臨了 前所未有的困難。目前所遭遇到的問題包括:總體時脈傳輸的延遲 (clock skew) 、時脈驅動元件電源的消耗、快速時脈振盪所造成的磁波干擾(EMI)及系統 整合的時序問題等,為了解決上述的種種問題,我們是否應該考慮同步設計以 外的其他可能方法。八○年代末期電腦科學家們,早已想到了一個曾被遺忘的解 決方案,那就是「非同步電路」。 介紹 非同步電路並不是一個新的設計理念,它也不再是以往那個只存在於實驗 室中的非成熟技術,昇陽的 Ebergen 博士已帶領著他的研究團隊 ,將此項技術 使用在昇陽的 UltraSpatc Ⅲ微處理及外部記憶體的 控制器上。飛利浦的資 深 i 科學家 Ad Peeters 博士所 帶領的研發團隊 ,也以非同步技術開發 了一系列的 電 型通訊專用微處理器,並 將此項技術運用在傳呼機及智慧晶片 卡(smart cards)等相關 產品。這些成功的案 例 ,足 以顯示 出非同步設計在今日的進階數位 電路設計有著重 大影響 。 我在美國的 求學期間,因緣際會地加入了由 Erik Brunvand 博士及 Chris Myers 博士所 組成的非同步研究團隊 ,因而有 幸的 接觸到非同步設計的領域 , Brunvand的 指導讓我學到了非同步電路的基礎設計 原理, 而Myers 對自我時序 電路 (self-timed)高階合成 (high-level synthesis)的 獨 到見解,也引發 了我 對非同步電路設計自動化工具 (EDA的) 高度興趣 ,之後我便參與了猶他大學非同 步設計中心的一系 列計畫 與研究。以下的 內容 ,我將會以我過去的經驗及 平日所 聞 ,對非同步設計作一個白話式的介紹,期 待能讓更 多設計者能淺窺非同步的 世界。 理想的非同步世界 現今的數位系統 必須依賴兩個 基本的 假設 來使其正常運作,首先是 2進位 的 表示方式(0與 1),其次則是循序動作的指引方法。非同步電路也是使用 2 進位 來處理資 料 ,但它不像那同步電路使用總體時脈 來協調各元件的一系列運 作,非同步電路是使用區域 性的 交握訊號 (handshaking signals) ,來達成各 元 件的運作連慣性 。 第 1 頁 D A C E B 圖 一 非同步系統的工作原理,非常近似物件 導向的 程式設計 (object-oriented programming)理念。元件與元件間,以訊息傳 遞的方 式來完成協同運算 ,以上圖 為例 :A 、B 、D為原始資 料提供 元件,C和 E為處理元件,當 A有資

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