基于FPGA的全局异步局部同步四相单轨握手协议实现

摘 要： 在常规FPGA中设计了基于LUT的异步状态保持单元，实现了全局异步局部同步系统的接口电路、时钟暂停电路，进一步完成四相单轨握手协议。基于Quartus软件的逻辑锁定技术，采用Verilog HDL进行行为描述，构建了无冒险C单元库。在Altera CycloneⅡ EP2C35F672C6器件上，完成了GALS系统的时序仿真，证明了四相单轨握手的正确性。
关键词： 四相单轨握手协议；FPGA；Muller C；GALS；无冒险

异步电路所具有的低功耗、低电磁噪声辐射、高速等突出特点，使其逐渐成为当前设计的焦点。现有异步电路的实现方法往往通过定制的VLSI结构完成，或者设计独特的异步FPGA结构来实现，而现有基于常规FPGA设计的异步电路，往往难于解决其中的冒险、延迟等问题。
全局异步局部同步[1]GALS(Globally Asynchronous Locally Synchronous)系统，结合了同步设计和异步设计的优点，在解决多时钟域问题和模块更新的复用性等方面有巨大优势，其特点是在各同步模块需要处理时才工作，其余时间可以处于暂停状态，不用引入太多异步单元，较易于使用常规FPGA实现，特别是在现有SoC[2]系统中多同步模块异步互联方面有着突出优势，且其具有低功耗、高吞吐量的特点。
参考文献[3]描述的是一种全局异步局部同步的专用FPGA（GAPLA），其内部结构通过同步逻辑模块实现数据计算，在逻辑模块间由同步、异步互换接口完成异步互联，其关键技术是同步、异步互换接口和时钟暂停（Pausible clocking）电路结构，而在常规FPGA中不包含这些结构。参考文献[4]在常规FPGA实现GALS系统，是通过信号状态转换图（STG）的方法设计接口电路，利用Petrify软件实现的一种GALS系统异步封装电路，其将接口模块同步分解成逻辑门电路，容易产生冒险。参考文献[5]则通过使用带复位端的D触发器及延迟单元来完成接口电路的设计，其接口中的延迟单元要求是FPGA内部的标准单元，而在常规FPGA中不包含此标准单元。
本文基于常规FPGA中大量的LUT结构，通过Quartus软件的逻辑锁定[6]技术将设计的C单元锁定在一定区域，保证了C单元的无冒险性，同时建立标准C单元库。使用C单元实现了GALS系统所需要的延迟电路、接口电路、时钟暂停[7]电路。利用状态机设计的计数器作为同步模块，基于四相单轨握手协议[8]，完成两同步模块的异步互联。
1 点对点GALS系统
GALS系统从局部来看各同步模块独立设计；从全局来看，各模块彼此时钟独立，以各自工作频率独立运行，其互联通过设计的异步接口完成。且各同步模块时钟具有可暂停性，保证不需要数据处理时时钟不运行的效果，具有低功耗的特点。点对点GALS系统是采用单点同步模块对应单点通信的方式实现的异步电路。整个结构由三部分组成：局部同步区域、握手区域、时钟可暂停区域。在同步区域完成的是同步模块的设计，其同步模块可更新复用；握手区域通过同步、异步互换接口及锁存器完成，由两边同步模块发送的WR、RD信号来触发握手区域进行握手；时钟可暂停区域由内部产生的时钟及握手区域输出的暂停信号（STRETCH）进行时钟的调整，确保系统的低功耗运行。其组成框图如图1所示。

在点对点GALS系统中，设计的重点是接口电路及局部时钟可暂停模块，由于不需要引入外部时钟，所以在全局复位后，时钟可暂停模块就应当产生时钟信号，时钟信号的频率根据各同步模块需求情况设定。在同步模块的设计中，其既要有数据接收模块和数据处理模块，又要产生上级的接收信号（RD）和下级的数据处理完毕信号（WR），以确保电路接连不断地工作。
2 状态保持单元的设计
异步电路中为了避免冒险现象的发生，常需要设计一些适合异步电路的状态保持单元，通常难于设计的就是无冒险的Muller C单元，且其为异步电路的重要组成部分。Muller C标准单元（c_std）的基本功能为：当输入信号A、B同时为“1”时，输出S为“1”；当输入信号A、B同时为“0”时，输出S为“0”；当输入信号A、B处于其他状态时，输出保持原信号。从而当输出信号为“1”时，就能指示输入信号都为“1”。输出为“0”的情况同理。由此可以看出其信号的跳变能够指示或确认其他信号的跳变情况，这样就能够确保电路避免冒险现象的发生。而通过逻辑门设计的C单元，常因内部连线延迟以及门延迟的特性，使得其映射到FPGA内部时会出现冒险现象，因而只有通过建立查找表结构的方式设计C单元，才可使得映射到常规FPGA时避免冒险发生。
在图1的GALS系统中使用到的4种标准的C单元，采用Verilog HDL语言编写，通过编译生成.QSF文件，利用Logic-Lock技术生成网表文件，通过这三个文件即可建立常规FPGA可调用的无冒险C单元库。图2描述的是4种C单元库文件符号及c_std相应的Verilog描述。在C单元库中的c_clr_l单元具有置0功能，而c_clr_h具有置1功能。表1列出4种C单元的lut_mask值。

参考文献[9]使用的是门电路描述的C单元，在EDA软件对其进行综合编译时，容易受到其余同步电路的影响而产生冒险。本文对基于LUT实现的C单元，需要将输出反馈回输入的一端，同时使用Quartus软件的逻辑锁定（Logic-Lock）方式，将C单元综合、布局于一定的区域内，可以避免在与其余电路综合时发生冒险，具有较高实用价值。
3 接口电路及时钟暂停电路的实现
四相单轨握手协议，广泛应用于时序假设中，通常可以使电路获得最好的性能。而在控制电路设计中，最简单的四相单轨握手电路通过一个C门和一个非门组成，即异步电路中常用的Muller流水线[10]。本文采用手工设计方式实现的握手接口电路就是基于Muller流水线的思想，如图3所示。
图3（a）实现的wport接口电路，在全局CLEAR信号为高电平时对全局电路进行复位，其输出REQ、STRETCH信号全为低电平。局部同步模块产生一个WR信号（即同步模块处理完毕）时，通过延迟取反相“与”后输出一个脉冲。当ACK信号为低电平时，左边的C单元输出为“1”，即其暂停信号（STRETCH）置为“1”，停止同步模块时钟运行，此时由于右边的C单元的输入都为“1”，则发出请求信号，完成一次请求；当ACK信号为高电平时，由于右边C单元的置0位为“1”，从而停止请求，实现了一次四相单轨通信。
图3（b）中的rport接口电路，在同步模块发出处理完成信号时，其左边的C单元置1位输入是由RD产生的脉冲信号，从而其输出STRETCH为“1”，即要求同步模块时钟停止，在其请求信号REQ为“1”时，ACK输出为“1”；当REQ为低电位时，由于左边C单元输出为低电位，则ACK输出为“0”，实现了一次四相单轨通信。

结合两接口电路的四相单轨通信则可实现GALS系统的模块互联。对接口电路延迟单元的设计则使用单个标准C单元c_std实现，通过时序约束其延迟量可达到5.125 ns，对整个电路的设计具有较好的延迟效果，且无冒险现象。
在GALS系统中，有些同步模块可能没有自带的时钟信号，常需要系统内部产生特定频率范围的时钟信号，所以可暂停时钟的设计是必须的。实现方法是基于一个C单元及一个延迟单元，以及可随意调节的分频器组成，通过C单元设计的时钟电路可产生频率高的时钟。当CLEAR信号置高时，对电路清0，经过延迟取反后，C单元的输入为1，则输出即为1，以此类推，则产生时钟信号。局部时钟模块的实现如图4所示。通过时序仿真，CLK在未加分频器的情况下可高达500 MHz以上。由于超过目前FPGA的最高时钟，从而其需要通过分频来达到设计要求。此时钟电路根据同步模块需求，频率可进行任意调节，具有较大实用性。

4 GALS系统实现及测试
为了测试由FPGA实现的四相单轨握手协议电路的性能，通过状态机设计无冒险的计数器作为GALS系统两端的同步电路，采用Altera公司CycloneⅡEP2C35F6-
72C6器件作为测试器件，通过逻辑锁定技术将标准C单元模块添加进设计中，通过建立wport、rport的父区域(Parent Region)锁定模块，将子区域(Child Region)锁定的C单元添加进父区域锁定模块，保证了各自时序的独立性，确保了电路功能的实现。其时序仿真结果如图5所示。