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    重庆时时彩凤凰国际群组: 一种用于异步电路的输出指示方法及其实现电路.pdf

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    一种 用于 异步 电路 输出 指示 方法 及其 实现
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    摘要
    申请专利号:

    CN00119574.3

    申请日:

    2000.08.03

    公开号:

    CN1296218A

    公开日:

    2001.05.23

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回|||公开|||实质审查的生效申请日:2000.8.3
    IPC分类号: G06F9/305; G06F9/45 主分类号: G06F9/305; G06F9/45
    申请人: 复旦大学;
    发明人: 俞颖; 丁保延; 闵昊
    地址: 200433上海市邯郸路220号
    优先权:
    专利代理机构: 复旦大学专利事务所 代理人: 陆飞
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN00119574.3

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2004.07.14|||2001.05.23|||2001.04.25

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||公开|||实质审查的生效

    摘要

    本发明属集成电路设计技术领域,是一种用于异步电路的输出指示方法及其实现电路。本发明对程序的每条指令设置二位识别位,以便将每条指令与它相邻的其他指令区别开。因此,只要观测最后两位识别位是否发生变化,就可获知新的指令是否已经取出。对应于识别位的设置方法,本发明还设计了相应软件,并设计了具体的实现电路。本发明可用于任何需要取指的异步电路中,只用很小的硬件代价,可大大降低电路功耗。提高运行速度,实现低功耗、高性能的电路设计。

    权利要求书

    1: 一种用于异步电路的输出指示方法,其特征在于对于一个程序,在每条指令 的最后两位设置识别位,具体步骤为: (1)考察并确定每条指令的度数,得到程序的“图”,其中,①每条程序和中 断服务有一条边,该边或指向中断服务程序的入口,或从中断服务返回语句有一条 输出边,②每个节点至少有3条边,③对于条件跳转指令,度数至少为4; (2)将程序转化为由宏节点构成的新图T,其中,①每个宏节点由一条度数大 于3的程序开始,由一条度数大于3的程序结束,中间的程序的度数为3,且各条 指令互相相连;②若此宏节点只有一条指令,则在此指令前加一条NOP指令,使此 宏节点的指令数大于1;③若中断服务程序中只有两条指令,则在其中间插入一条 NOP指令; (3)在图T中,将中断服务程序的入口语句的识别位设置为11,中断返回语 句的识别位也设置为11; (4)在其它宏节点中,第一句指令的识别位设置为00,最后一条指令的识别 位设置为10,中间所有指令的识别位依次设置为01,00,01,00,……; (5)根据识别位是否变化来判断取指是否已经结束。
    2: 根据权利要求1所述的用于异步电路的输出指示方法,其特征在于用计算机 软件实现程序指令识别码的设置,具体步骤如下: (1)分析指令集,将所有指令分为如下几类: a.不会引起程序的分支或跳转的指令, b.会引起程序的跳转的指令, c.带有条件会引起程序的分支的指令; (2)对每一条指令设置和得到以下参数: 输入度数:InputD[i];输出度数:OutputD[i];总度数:TotalD[i];从何输 入:Input[i];输到何处:output[i];NOP插在何处:Where[i];NOP赋值多 少:Value[i];其中i表示第i条指令的行号; (3)根据所得各条指令的参数,对每条指令进行识别位的编码: -总度数等于S的指令,是中断入口或出口,赋值11, -总度数大于等于3指令, ①输入度数大于等于2,且输出度数小于等于1,此时为宏节点的开头,赋值 00。 ②输出度数大于等于2,且输入度数小于等于1,此时为宏节点的结尾,赋值 10。 ③输入度数大于等于2,输出度数亦大于等于2,此时即为只有一条指令的宏节 点,记下此处的行号,并将NOP赋值00,输入到where[i],与value[i],此指令 赋值10, -总度数小于等于2,读入input[i]=j ①当i>j时 当j指令已赋识别位,如果j赋00,则i的识别位赋01;如果j赋01,10,11, 则i的识别位赋00; 当j还未赋值,则将i写入write[j] ②当i<j时,将i写入write[j], 以上每句在赋值后都要查write[i]中是否有值,如果有值,则:如果i句赋值 00,则write[i]句赋值01,如果i句赋值01,10,11,则write[i]赋值00 根据以上过程,即可得到带识别位的程序。
    3: 一种如权利要求1所述的输出指示方法的实现电路,其特征在于由两个触发 器D 1 和D 2 、两个二输入异或门XOR 1 和XOR 2 、一个两输入或门OR经电路连接组 成,其中,XOR 1 、XOR 2 的一个输入端B分别与触发器D 1 、D 2 的QN端连接, XOR 1 、XOR 2 的另一个输入端A直接与识别位电路连接,XOR 1 、XOR 2 的输出端Y 分别与OR的两个输入端A、B连接。

    说明书


    一种用于异步电路的输出指示方法及其实现电路

        本发明属于集成电路设计技术领域,是一种用于异步电路的输出指示方法及其实现电路的设计。

        同步电路是当今集成电路设计的主流,大多数的数字电路系统都采用同步设计形式,在一个全局时钟的控制下进行工作。与之相反,异步电路不采用全局时钟,各??橥ü植课帐中藕沤心?榧涞耐ㄑ?。由于异步电路能较好地解决在现今存在于IC设计中的许多问题,例如电路的功耗问题、全局时钟引起的Clock?Skew问题等,对它的研究成了当今集成电路设计中的一个很重要的新课题。而且可以预料的是,随着制造工艺进一步的发展,异步电路设计将会引起越来越多地重视和研究。由于现有的异步CAD工具还不成熟,故异步电路设计也是一个具有挑战性的研究课题。

        由于异步电路没有全局时钟来协调各部分的工作,故各??橹渫ü帐中藕爬锤嫠咂渌?榈墓ぷ髯刺拖缘梅浅V匾?。异步电路按其握手信号用何种方式来表示此??榈墓ぷ饔朐怂阋呀崾夷?槭涑鲋狄盐行е档氖涑隼捶?,可分为两种:

        一种是Self-Timed逻辑,使用带冗余的逻辑表达式来表示信息,其中的一些输出值的组合表示此输出数值是有效值,另一些输出值的组合表示此时输出无效,数据还未被准备完毕。因此,在Self-Timed逻辑中,通过判断输出值,即可知道此时输出数据是否有效,即输出有效与否的判据是隐藏在输出数据中的。通??捎盟毂嗦敕绞嚼词迪諷elf-timed逻辑,或观察电路中所有的节点是否发生了变化,由此来判断有效的数据是否已产生。

        另一种是Bundled-Data逻辑,采用传统的逻辑表达式,但是另包括一根附加的控制线,由此线来指示输出有效的时刻。通常,控制线上使用延迟匹配,即控制线上信号的变化要通过的延迟不小于??橹凶楹下呒δ芸榈难映?。

        利用Self-timed逻辑,可设计“延迟不敏感型”的异步电路,它工作的正确性与任何逻辑门和线上的延迟都无关,电路的有效输出始终是正确的(当然速度较慢的门和线会引起有效输出的延迟)。同时,它的速度较快,可靠性较强,这都这是它的优势。然而,此方法采用的冗余逻辑的结构耗费太大,它所花费的芯片面积几乎是标准单轨编码逻辑的两倍,使得电路的功耗大大增加,与当今电路的低功耗要求是不符合的。而采用Bundled-Data逻辑的电路,虽然与相对应的同步电路比起来面积增加不多,但它的延迟匹配方法不能设计出“延迟不敏感型”的电路,它所设计的电路的正常工作是与工艺有关的,且延迟固定,不能发挥出异步电路速度较快的优点。随着半导体制造工艺的发展,深亚微米工艺会使电路中连线上的延迟更大,片内的延迟更难控制,故采用Bundled-Data逻辑的电路在未来将不会有太多的应用,而SELF-TIMED逻辑将会受到越来越多的重视和研究。

        本发明的目的在于提出一种能够适应电路低功耗要求,又能够适合于设计高性能异步电路的用于取指过程的输出指示方法及其实现电路。

        在实际的程序中,若在每条指令后加两位的冗余识别位,可将每条指令与它相邻的每条指令辨别开。故只要观测两位识别位是否发生了变化,就可知道新的指令是否已取出。

        对一个程序,可用如下方式进行识别位的设置:

        1、考察并确定每条指令的度数(即与之相连的边数,包括输入边和输出边),得到程序的“图”(图中的每个节点即为程序中的每句指令)。其中根据程序的特点,每条指令的度数可大致分析如下:中断可能发生在任何时候,故实际情况下每条程序都有一条输出边指向中断服务程序的入口,理论上也应有一条输入边是与中断服务程序的返回指令相连。但是由于中断结束后,程序返回到的是原来发生中断的下一条指令,故实际上每条程序只可能和中断服务有一条边,或是指向中断服务程序的入口,或是从中断返回语句有一条输出边。另外,每条程序(除了第一条和最后一条)都有上一条和下一条程序,故每个节点已有至少3条边,即度数至少为3。另外如条件跳转等指令,它的下一条指令有两种可能性,故它有两条输出边,度数至少为4。而一个被反复调用的子程序,它的第一条指令可能有许多条输入边,它的最后一条程序可能有许多条的输出边,这些节点的度数会相当大。

        2、将程序转化为由宏节点构成的新图T。宏节点是由好几个节点组成的。其中第一个节点的度数大于3,最后一个节点的度数也大于3。第二个节点到最后第二个节点的度数都是3(这些节点具有一条输入边,一条输出边和一条与中断服务程序相连的边),且各节点互相相连(如图1所示)。若是此宏节点中只有一个节点(即只有一条指令),则在此指令前加一条NOP指令(NOP为空操作指令),使此宏节点中的节点数大于1(如图2所示)。若中断服务程序中只有两条指令,则在其中间插入NOP指令,如图3所示。

        3、在图T中,将中断服务程序的入口语句的识别位置为11,中断返回语句的识别位也置为11。

        4、其他宏节点中,第一句指令的识别位为00,最后一句指令的识别位置为10。中间所有指令(度数小于等于3)的识别位依次置为01,00,01,00…如图1-图3所示。

        图1-图3中,各种标记对应节点的识别位设置如下:

        度数小于等于3的节点,可置识别位为01,或00,视位置而定

        中断服务程序中的第一条和最后一条指令,可置识别位为11

        宏节点中的第一条指令,可置识别位为00

        宏节点中的最后一条指令,可置识别位为10

        要增加的节点,即NOP指令,识别位视位置而定

        在这种构造方式中,所有程序与中断服务程序的入口和返回的识别位(11)皆不相同;所有宏节点内部的相邻指令都具有不同的识别位;所有宏节点的第一个节点与最后一个节点(分别为00和01)都不相同,宏节点的第一个节点只和其他宏节点的最后一个节点相连,最后一个节点也只和其他宏节点的第一个节点相连,故相邻宏节点具有不同的识别位。因此通过此种构造和识别位的设置,可根据识别位是否变化来判断取指是否已结束,即识别位发生变化,表示取指过程已结束,新的指令已被取出;识别位没有发生变化,则取指过程没有结束,新的指令还未被取出。

        下面用软件进行识别位的编码。

        用软件可实现这种识别码的设置,并对所有指令进行添加识别位的编码工作。以PIC16指令集为例,对一段用户编写的程序,首先要进行添加所有NOP指令的工作,产生新的程序。根据此新程序产生每句指令的识别位(2bit),同时利用PIC的开发公司(MICROCHIP)提供的程序编译器对新程序进行机器码的编译,产生新程序14bit的机器码。将识别位(2bit)与机器码(14bit)结合起来,即产生带识别位的16bit的新程序,可输入使用本发明的异步微控制器或DSP进行工作。所编软件的工作流程及任务如图4所示。图中虚线框内的程序块为本发明设计的软件部分。具体的程序流程如下:

        1、分析指令集,将所有指令分为如下几类:

        a.不会引起程序的分支或跳转的指令,必定会走向下一条程序

        b.会引起程序的跳转的指令,不走向下一条,而会跳转到程序的另外一点

        c.带有条件,会引起程序的分支的指令,会有两种可能,从而有两种不同的输出方向

        2、对每一条指令设置和得到以下的参数:

        输入度数:InputD[i];输出度数:OutputD[i];总度数:TotalD[i];从何输入:Input[i];输到何处:output[i];NOP插在何处:Where[i];NOP赋值多少:Value[i];其中i表示第i条指令的行号。

        图5-图8是计算第i条指令的以上各参数的程序流程图。流程图中各功能块的说明如下:

        读入一句行号为i的输入程序

        (1)如果是第一类指令的话,它只会输出到下一句,所以将自己的输出度数outputD[i]加1,下一句的输入度数input?D[i+1]加1,并且将i写入下一句的从何输入Input[i+1]中。

        (2)如果是第二类指令的话,设其跳转到i=k,那么它只会有一个输出,且输入到跳转处,所以将自己的输出度数outputD[i]加1,跳转处的输入度数inputD[k]加1,并将i写入Input[k]中。

        (3)如果是第三类指令的话,它将会有两个输出,分别指向紧接的两句。所以,将自己的输出度数outputD[i]加2,下两句的输入度数inputD[i+1],inputD[i+2]加1,并将i写入Input[i+1],Input[i+2]中。

        (4)当是中断程序时,有自己的特殊编码,与其它的均有分别,所以,将输入度数inputD[i]赋值S,将输出度数outputD[i]赋值0。i写入下一句的Input[i+1]中。

        (5)当紧接着i=04有返回时,因为是中断返回,有自己的特殊编码,所以,将输入度数inputD[i]赋值S,将输出度数outputD[i]赋值0。

        3.根据所得的各条指令的参数,对每条指令进行识别位的编码(1)总度数等于S的指令是中断入口或出口,赋值11。(2)总度数大于等于3指令①输入度数大于等于2,且输出度数小于等于1,??此时为宏节点的开头,赋值00。②输出度数大于等于2,且输入度数小于等于1,??此时为宏节点的结尾,赋值10。③输入度数大于等于2,输出度数亦大于等于2,??此时即为只有一条指令的宏节点。记下此处的行号,并将NOP赋值00,输入到where[i],与value[i]。此指令赋值10(3)总度数小于等于2的??读入input[i]=j①当i>j时??当j指令已赋识别位,如果j赋00,则i的识别位赋01;如果j赋01,10,11,??则i的识别位赋00;??当j还未赋值,则将i写入write[j]②当i<j时

        ????将i写入write[j]

        以上每句(第i句)在赋值后都要查write[i]中是否有值,如果有值,则:如果i

        句赋值00,则write[i]句赋值01,如果i句赋值01,10,11,则write[i]赋值00

        根据以上过程,即可得到带识别位的程序。

        下面给出上述输出指示方法的实现电路。

        用电路实现来以上判断取指过程是否已结束的新的输出指示方法,只要比较取指的数据线上的两位识别位是否发生了变化,即可判断是否有新的指令到达。因此只要用两个触发器将上次的最后两位锁存,再用两个异或门将数据线上的数据与被锁存的数据进行比较。图9是一个异步低功耗微控制器的异步控制单元电路,其中虚框中的电路即为采用了本发明的输出指示方法的判断取指过程是否结束的电路,它由两个触发器D1和D2、两个二输入异或门XOR1和XOR2、一个两输入或门OR经电路连接组成。其中,XOR1、XOR2的一个输入端B分别与触发器D1、D2的QN端连接,XOR1、XOR2的另一个输入端A不经D1、D2,而直接与识别位电路连接,XOR1、XOR2的输出端Y分别与OR的两个输入端A、B连接。电路的工作原理如下:a[1∶0]即是2bit的识别位,经两个D触发器锁存后,与未经锁存的a[1∶0]用两个“二输入异或门”进行比较。2bit的比较结果由一个“二输入或门”进行“或”操作,两位识别位中只要有任意一位发生变化,即表示识别位已发生变化,新的指令已取出。此电路的实现方法花费面积很小,与一般的SELF-TIMED逻辑要增加近一倍的面积相比,无疑具有很大的低功耗优势。

        本发明可使用在任何需要取指的异步电路中,例如异步DSP、异步微控制器(MCU)等。它只用了很小的硬件代价(两个寄存器和两个异或门)实现了取指电路的Self-Timed逻辑,大大降低了电路的功耗;它也使得异步DSP或MCU可根据指令的不同自动调节速度,使得执行速度与指令相关,大大加快了MCU或DSP运行的速度。因此采用此方法可实现各种低功耗、高性能DSP和MCU的设计。附图说明:图1:普通宏节点图。图2:只有一个节点的宏节点图。图3:中断程序的宏节点图。图4:添加识别位软件的工作流程及任务图。图5:识别位编码的总流程图。图6:b类指令的识别位编码流程图。图7:C类指令的识别位编码流程图。图8:中断服务程序的识别位编码流程图。图9:本发明输出指示方法的实现电路图。

        我们用本发明方法设计实现了一个指令集与PIC16C6X兼容、功能与PIC16C61相同的采用异步电路的8位微控制器芯片。此异步微控制器具有哈佛结构和二级流水线。第一级流水线执行取指、译码过程;第二级流水线执行读取数据、ALU计算和写回数据过程。在第一级流水线的取指过程中采用的即是本发明的输出指示方法。PIC16C6X的指令集由35条14bit的指令构成,增加两位识别位后,指令长为16bit,可放在16BIT宽的EEPROM中。此微控制器于1999年12月在新加坡Chartered?0.6um工艺上进行流片,模拟结果表明:采用本发明方法的微控制器在5V的电源电压下工作时的平均功耗只有41.5mW,平均速度可达55MIPS。与用相同半导体制造工艺实现的传统方法设计的PIC16C61相比,功耗降低53%,速度加快37%。当我们设计的微控制器降低工作电压(3.7V),使之工作在与传统PIC16C61相同速度下,平均功耗只有13.7mW,是传统PIC16C61平均功耗的15.64%。

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