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基于FPGA的全局异步局部同步四相单轨握手协议实现

时间:2015-08-03  来源:扁平线圈电感厂家  点击:

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。


对结果进行分析:当全局复位信号为高电平时,对全局电路进行复位。整个握手实现过程通过同步模块的2个计数器在进位时,输出各自的进位信号作为wr和rd信号,当二者同时为高电平时发生握手,且作为接口电路rport、wport的输入信号。当req上升沿到来时,ack响应req信号变为高;当req下降沿到来时,ack拉低。通过ack的上升沿触发锁存器传递数据,完成数据的通信,其数据主要是由计数器产生的0、1信号。而对于时钟暂停模块,当str1、str2信号为高电平时分别对两个模块的时钟进行暂停,从仿真图中可见,当两者为高电平时,将时钟置为0,保证了时钟的可暂停。

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