Asynchrone Schaltungen

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1 Asynchrone Schaltungen Dr.-Ing. Volkmar Sieh Institut für Informatik 3: Rechnerarchitektur Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg SS 2013 Asynchrone Schaltungen 1/ /07/18

2 Asynchrone Schaltungen Motivation überall gleichzeitiger(!) Takt auf Chip aufwändig langsamste Komponente legt Takt fest Ein-Synchronisieren von externen Ereignissen nicht sicher... Asynchrone Schaltungen 2/ /07/18

3 Takt-Verteilung in synchronen Automaten sauberer Takt: Problematisch: Entfernung von Taktquelle (Pin am Gehäuse) bis zu allen Register u.u. unterschiedlich (=> Taktbaum). Asynchrone Schaltungen 3/ /07/18

4 Takt-Verteilung in synchronen Automaten Taktbaum: Problem: Leiterbahn-Routing schwierig! Asynchrone Schaltungen 4/ /07/18

5 Takt-Verteilung in synchronen Automaten Stromspar-Modi erfordern häufig Takt-Abschaltmöglichkeiten. => unterschiedliche Taktzeitpunkte! Asynchrone Schaltungen 5/ /07/18

6 Frequenz-Domains Viele Bereiche mit unterschiedlichen Frequenzen: Asynchrone Schaltungen 6/ /07/18

7 Asynchrone Schaltungen Frequenz-Domains Übernahme eines externen Signals in einen Frequenz-Domain: Asynchrone Schaltungen 7/ /07/18

8 Asynchrone Schaltungen Frequenz-Domains Übernahme eines externen Signals in einen Frequenz-Domain (häufigste Lösung ): Die Wahrscheinlichkeit, dass es funktioniert, ist hoch aber nicht 1! Asynchrone Schaltungen 8/ /07/18

9 Asynchrone Schaltungen Pipeline Asynchrone Pipeline: Asynchrone Schaltungen 9/ /07/18

10 Asynchrone Schaltungen Hand-Shaking Hand-Shaking ( single rail ): 4-Phasen-Protokoll: 2-Phasen-Protokoll: Asynchrone Schaltungen 10/ /07/18

11 Asynchrone Schaltungen Hand-Shaking Extra-Logik muss Req solange verzögern, bis restliche Kombinatorik fertig ist. kommt Req zu früh => Fehlfunktion kommt Req zu spät => unnötige Verzögerung Asynchrone Schaltungen 11/ /07/18

12 Asynchrone Schaltungen Hand-Shaking Wunsch: Req geht genau dann auf 1, wenn Kombinatorik fertig ist. Probleme: Wärme beeinflusst Rechenzeit von Gattern. Unterschiedliche Erwärmung der Req - bzw. der restlichen Logik problematisch! Z.B. ein Addierer braucht je nach Operanden unterschiedlich lang. Lösung: Wer hat eine Idee? Asynchrone Schaltungen 12/ /07/18

13 Asynchrone Schaltungen Hand-Shaking Verknüpfung Daten+Hand-Shaking ( dual rail ): Zwei Leitungen für die Übertragung eines Bits: 00: idle 10: 0 01: 1 Asynchrone Schaltungen 13/ /07/18

14 Asynchrone Schaltungen Hand-Shaking Beispiel: AND -Gatter mit Dual-Rail-Ein- und -Ausgängen: a 0 a 1 b 0 b 1 c 0 c Asynchrone Schaltungen 14/ /07/18

15 Asynchrone Schaltungen Hand-Shaking Andere Implementierung des Dual-Rail-AND-Gatters: Korrekt? Asynchrone Schaltungen 15/ /07/18

16 Asynchrone Schaltungen Hand-Shaking Andere Implementierung des Dual-Rail-AND-Gatters: => Synthese der Schaltungen sehr schwierig! Asynchrone Schaltungen 16/ /07/18

17 Asynchrone Schaltungen Muller C-Element Von einer Kombinatorik berechnete Werte müssen in das nächste Pipeline-Stufen-Register übernommen werden genau dann, wenn alle Bits berechnet wurden. Ein neuer Wert darf erst übernommen werden, wenn vorher alle Bits im Idle -Zustand waren. Problem: Die Abfrage Alle fertig? darf nicht zu lange dauern! Lösung: Muller C-Element Asynchrone Schaltungen 17/ /07/18

18 Asynchrone Schaltungen Muller C-Element Muller C-Element: Erweiterung auf mehr Eingänge möglich effiziente Implementierung in C-MOS möglich Asynchrone Schaltungen 18/ /07/18

19 Asynchrone Schaltungen Muller C-Element Muller C-Element: Wahrheitstabelle: A B C C n C n C = A B C (A B) ( C n 1 : alter Zustand von C) Asynchrone Schaltungen 19/ /07/18

20 Asynchrone Schaltungen Muller-Pipeline Muller-Pipeline (ohne Berechnungen): Asynchrones FIFO! Asynchrone Schaltungen 20/ /07/18

21 Asynchrone Schaltungen Flip-Flops Bisher ignoriert: Flip-Flops brauchen auch Zeit (Setup-/Hold-Zeiten) = C: Capture Cd: Capture Done P: Pass Pd: Pass Done Asynchrone Schaltungen 21/ /07/18

22 Asynchrone Schaltungen Muller-Pipeline Muller-Pipeline (mit Berechnungen): Micro-Pipeline Asynchrone Schaltungen 22/ /07/18

23 Asynchrone Schaltungen Addierer Beispiel 1-Bit-Volladdierer a b c in c out s? - -?? -? -?? 0 0? 0? 0 1??? 1 0??? 1 1? 1? a b c in c out s ? ? ? ? Asynchrone Schaltungen 23/ /07/18

24 Asynchrone Schaltungen Addierer Wie schnell ist ein asynchroner Ripple-Carry-Addierer im Mittel? Wie schnell ist ein asynchroner Multiplizierer im Mittel? Asynchrone Schaltungen 24/ /07/18

25 Asynchrone Schaltungen Pipeline-Hazards Wie kann man in asynchronen Pipelines mit Hazards umgehen? Daten-Hazards Kontroll-Hazards Struktur-Hazards Asynchrone Schaltungen 25/ /07/18

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