基于FPGA的全局異步局部同步四相單軌握手協(xié)議實(shí)現(xiàn)

摘 要： 在常規(guī)FPGA中設(shè)計(jì)了基于LUT的異步狀態(tài)保持單元，實(shí)現(xiàn)了全局異步局部同步系統(tǒng)的接口電路、時(shí)鐘暫停電路，進(jìn)一步完成四相單軌握手協(xié)議。基于Quartus軟件的邏輯鎖定技術(shù)，采用Verilog HDL進(jìn)行行為描述，構(gòu)建了無冒險(xiǎn)C單元庫。在Altera CycloneⅡ EP2C35F672C6器件上，完成了GALS系統(tǒng)的時(shí)序仿真，證明了四相單軌握手的正確性。
關(guān)鍵詞： 四相單軌握手協(xié)議；FPGA；Muller C；GALS；無冒險(xiǎn)

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(diǎn)，使其逐漸成為當(dāng)前設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)?，F(xiàn)有異步電路的實(shí)現(xiàn)方法往往通過定制的VLSI結(jié)構(gòu)完成，或者設(shè)計(jì)獨(dú)特的異步FPGA結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)有基于常規(guī)FPGA設(shè)計(jì)的異步電路，往往難于解決其中的冒險(xiǎn)、延遲等問題。
全局異步局部同步[1]GALS(Globally Asynchronous Locally Synchronous)系統(tǒng)，結(jié)合了同步設(shè)計(jì)和異步設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，在解決多時(shí)鐘域問題和模塊更新的復(fù)用性等方面有巨大優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)是在各同步模塊需要處理時(shí)才工作，其余時(shí)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(shí)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(shì)，且其具有低功耗、高吞吐量的特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)[3]描述的是一種全局異步局部同步的專用FPGA（GAPLA），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過同步邏輯模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(guān)鍵技術(shù)是同步、異步互換接口和時(shí)鐘暫停（Pausible clocking）電路結(jié)構(gòu)，而在常規(guī)FPGA中不包含這些結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[4]在常規(guī)FPGA實(shí)現(xiàn)GALS系統(tǒng)，是通過信號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（STG）的方法設(shè)計(jì)接口電路，利用Petrify軟件實(shí)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(chǎn)生冒險(xiǎn)。參考文獻(xiàn)[5]則通過使用帶復(fù)位端的D觸發(fā)器及延遲單元來完成接口電路的設(shè)計(jì)，其接口中的延遲單元要求是FPGA內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)單元，而在常規(guī)FPGA中不包含此標(biāo)準(zhǔn)單元。
本文基于常規(guī)FPGA中大量的LUT結(jié)構(gòu)，通過Quartus軟件的邏輯鎖定[6]技術(shù)將設(shè)計(jì)的C單元鎖定在一定區(qū)域，保證了C單元的無冒險(xiǎn)性，同時(shí)建立標(biāo)準(zhǔn)C單元庫。使用C單元實(shí)現(xiàn)了GALS系統(tǒng)所需要的延遲電路、接口電路、時(shí)鐘暫停[7]電路。利用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的計(jì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)GALS系統(tǒng)
GALS系統(tǒng)從局部來看各同步模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)；從全局來看，各模塊彼此時(shí)鐘獨(dú)立，以各自工作頻率獨(dú)立運(yùn)行，其互聯(lián)通過設(shè)計(jì)的異步接口完成。且各同步模塊時(shí)鐘具有可暫停性，保證不需要數(shù)據(jù)處理時(shí)時(shí)鐘不運(yùn)行的效果，具有低功耗的特點(diǎn)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)GALS系統(tǒng)是采用單點(diǎn)同步模塊對(duì)應(yīng)單點(diǎn)通信的方式實(shí)現(xiàn)的異步電路。整個(gè)結(jié)構(gòu)由三部分組成：局部同步區(qū)域、握手區(qū)域、時(shí)鐘可暫停區(qū)域。在同步區(qū)域完成的是同步模塊的設(shè)計(jì)，其同步模塊可更新復(fù)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(hào)來觸發(fā)握手區(qū)域進(jìn)行握手；時(shí)鐘可暫停區(qū)域由內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘及握手區(qū)域輸出的暫停信號(hào)（STRETCH）進(jìn)行時(shí)鐘的調(diào)整，確保系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。其組成框圖如圖1所示。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)GALS系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是接口電路及局部時(shí)鐘可暫停模塊，由于不需要引入外部時(shí)鐘，所以在全局復(fù)位后，時(shí)鐘可暫停模塊就應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)的頻率根據(jù)各同步模塊需求情況設(shè)定。在同步模塊的設(shè)計(jì)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(chǎn)生上級(jí)的接收信號(hào)（RD）和下級(jí)的數(shù)據(jù)處理完畢信號(hào)（WR），以確保電路接連不斷地工作。
2 狀態(tài)保持單元的設(shè)計(jì)
異步電路中為了避免冒險(xiǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，常需要設(shè)計(jì)一些適合異步電路的狀態(tài)保持單元，通常難于設(shè)計(jì)的就是無冒險(xiǎn)的Muller C單元，且其為異步電路的重要組成部分。Muller C標(biāo)準(zhǔn)單元（c_std）的基本功能為：當(dāng)輸入信號(hào)A、B同時(shí)為“1”時(shí)，輸出S為“1”；當(dāng)輸入信號(hào)A、B同時(shí)為“0”時(shí)，輸出S為“0”；當(dāng)輸入信號(hào)A、B處于其他狀態(tài)時(shí)，輸出保持原信號(hào)。從而當(dāng)輸出信號(hào)為“1”時(shí)，就能指示輸入信號(hào)都為“1”。輸出為“0”的情況同理。由此可以看出其信號(hào)的跳變能夠指示或確認(rèn)其他信號(hào)的跳變情況，這樣就能夠確保電路避免冒險(xiǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。而通過邏輯門設(shè)計(jì)的C單元，常因內(nèi)部連線延遲以及門延遲的特性，使得其映射到FPGA內(nèi)部時(shí)會(huì)出現(xiàn)冒險(xiǎn)現(xiàn)象，因而只有通過建立查找表結(jié)構(gòu)的方式設(shè)計(jì)C單元，才可使得映射到常規(guī)FPGA時(shí)避免冒險(xiǎn)發(fā)生。
在圖1的GALS系統(tǒng)中使用到的4種標(biāo)準(zhǔn)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(shù)生成網(wǎng)表文件，通過這三個(gè)文件即可建立常規(guī)FPGA可調(diào)用的無冒險(xiǎn)C單元庫。圖2描述的是4種C單元庫文件符號(hào)及c_std相應(yīng)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(xiàn)[9]使用的是門電路描述的C單元，在EDA軟件對(duì)其進(jìn)行綜合編譯時(shí)，容易受到其余同步電路的影響而產(chǎn)生冒險(xiǎn)。本文對(duì)基于LUT實(shí)現(xiàn)的C單元，需要將輸出反饋回輸入的一端，同時(shí)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(nèi)，可以避免在與其余電路綜合時(shí)發(fā)生冒險(xiǎn)，具有較高實(shí)用價(jià)值。
3 接口電路及時(shí)鐘暫停電路的實(shí)現(xiàn)
四相單軌握手協(xié)議，廣泛應(yīng)用于時(shí)序假設(shè)中，通?？梢允闺娐帆@得最好的性能。而在控制電路設(shè)計(jì)中，最簡單的四相單軌握手電路通過一個(gè)C門和一個(gè)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(shè)計(jì)方式實(shí)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(shí)現(xiàn)的wport接口電路，在全局CLEAR信號(hào)為高電平時(shí)對(duì)全局電路進(jìn)行復(fù)位，其輸出REQ、STRETCH信號(hào)全為低電平。局部同步模塊產(chǎn)生一個(gè)WR信號(hào)（即同步模塊處理完畢）時(shí)，通過延遲取反相“與”后輸出一個(gè)脈沖。當(dāng)ACK信號(hào)為低電平時(shí)，左邊的C單元輸出為“1”，即其暫停信號(hào)（STRETCH）置為“1”，停止同步模塊時(shí)鐘運(yùn)行，此時(shí)由于右邊的C單元的輸入都為“1”，則發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，完成一次請(qǐng)求；當(dāng)ACK信號(hào)為高電平時(shí)，由于右邊C單元的置0位為“1”，從而停止請(qǐng)求，實(shí)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(hào)時(shí)，其左邊的C單元置1位輸入是由RD產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，從而其輸出STRETCH為“1”，即要求同步模塊時(shí)鐘停止，在其請(qǐng)求信號(hào)REQ為“1”時(shí)，ACK輸出為“1”；當(dāng)REQ為低電位時(shí)，由于左邊C單元輸出為低電位，則ACK輸出為“0”，實(shí)現(xiàn)了一次四相單軌通信。

結(jié)合兩接口電路的四相單軌通信則可實(shí)現(xiàn)GALS系統(tǒng)的模塊互聯(lián)。對(duì)接口電路延遲單元的設(shè)計(jì)則使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)C單元c_std實(shí)現(xiàn)，通過時(shí)序約束其延遲量可達(dá)到5.125 ns，對(duì)整個(gè)電路的設(shè)計(jì)具有較好的延遲效果，且無冒險(xiǎn)現(xiàn)象。
在GALS系統(tǒng)中，有些同步模塊可能沒有自帶的時(shí)鐘信號(hào)，常需要系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生特定頻率范圍的時(shí)鐘信號(hào)，所以可暫停時(shí)鐘的設(shè)計(jì)是必須的。實(shí)現(xiàn)方法是基于一個(gè)C單元及一個(gè)延遲單元，以及可隨意調(diào)節(jié)的分頻器組成，通過C單元設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路可產(chǎn)生頻率高的時(shí)鐘。當(dāng)CLEAR信號(hào)置高時(shí)，對(duì)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(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。局部時(shí)鐘模塊的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。通過時(shí)序仿真，CLK在未加分頻器的情況下可高達(dá)500 MHz以上。由于超過目前FPGA的最高時(shí)鐘，從而其需要通過分頻來達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此時(shí)鐘電路根據(jù)同步模塊需求，頻率可進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，具有較大實(shí)用性。

4 GALS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試
為了測試由FPGA實(shí)現(xiàn)的四相單軌握手協(xié)議電路的性能，通過狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)無冒險(xiǎn)的計(jì)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(shù)將標(biāo)準(zhǔn)C單元模塊添加進(jìn)設(shè)計(jì)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(jìn)父區(qū)域鎖定模塊，保證了各自時(shí)序的獨(dú)立性，確保了電路功能的實(shí)現(xiàn)。其時(shí)序仿真結(jié)果如圖5所示。