Асинхронный канал: протокол 1-из-N

[vak]

Главная фишка асинхронного дизайна - отсутствие тактирующего сигнала. Вместо глобального генератора синхроимпульсов используется локальный сигнал подтверждения и четырехфазовый протокол взаимодействия. Есть разные варианты протоколов, подробно описанные в умной книжке. Я здесь коротенько набросаю один их них.



Сигналы данных направлены от передатчика к приёмнику. Обычно один бит данных кодируется двумя сигналами (1-из-2). Иногда два бита кодируются четырьмя сигналами (1-из-4), это имеет свои преимущества.



Фаза 1: исходно сигналы данных равны нуль (состояние NULL). Подтверждение также равно нулю. Инициатива на стороне передатчика. Когда готов, передатчик выставляет один из сигналов данных в единицу (cостояние DATA).

Фаза 2: данные поступили на вход приёмника (cостояние DATA). Приёмник выставляет сигнал подтверждения.

Фаза 3: передатчик получил сигнал подтверждения и переводит сигналы данных обратно в состояние NULL.

Фаза 4: приёмник обнаружил состояние NULL на входе данных и сбрасывает сигнал подтверждения.

Здесь действуют два важных правила. В фазе 1 (когда ack=0) передатчик имеет право формировать на шине данных только положительные фронты. В фазе 3 (когда ack=1) допускаются только отрицательные фронты. При этих условиях синхронизация всегда устойчива, независимо от времени распространения сигнала и задержек на логических элементах.

Я обещал объяснить, почему так важны монотонные булевы функции. Всякие вычисления и прочие преобразования данных выполняются на фазе 1. Сигналы данных проходят через блок комбинационной логики. На вход поступают положительные фронты. Важно, чтобы на выходе тоже появлялись только положительные фронты, иначе собьётся синхронизация. Если комбинационную логику составлять только из монотонных функций, можно гарантировать, что отрицательных фронтов на выходе не будет.

Comments

[spamsink.livejournal.com]

С учетом того, что на входе могут быть только данные, представленные в виде 1-из-2 или 1-из-4, реально полезных монотонных функций остается всего ничего.

[vak]

На входе может быть любое количество пар 1-из-2 (или четверок 1-из-4). Приёмник выдаст подтверждение, только когда по каждой паре придёт фронт.

[spamsink.livejournal.com]

Ну да. Т.е. реально LUT6 может моделировать не более чем какую-нибудь трехвходовую функцию, которых заметно меньше, чем 256.

[vak]

Не так. Ты предполагаешь, что оба провода из пары придётся заводить в LUT, а это не нужно.
К примеру, смотри как устроен элементарный однобитовый полный сумматор. Достаточно четырёх монотонных функций, две трёх- и две четырёхвходовые.

[spamsink.livejournal.com]

Т.е. ты хочешь оптимизировать логику, пользуясь произвольными монотонными функциями, а не только пороговыми? Интересно, на каком минимальном примере удастся показать преимущество.

[vak]

Да.
Не все монотонные функции пороговые, но все полезные в определённых местах.

Преимущество мы посмотрим со временем. Но дело даже не в сравнении с синхронной логикой. Я уверен, в ближайшее время появятся применения, где глобальный синхросигнал будет просто невозможен по технологическим причинам. Например печатаемая пластмассовая электроника или сети живых нейронов.

[andrey-yurin.livejournal.com]

А асинхронная логика в целом и асинхронные каналы связи в частности - они какие-то преимущества имеют перед синхронной?

[spamsink.livejournal.com]

Это примерно как спросить про морских млекопитающих в целом и морских свинок в частности.

[andrey-yurin.livejournal.com]

Наверное. Но мои познания в области морских млекопитающих ещё меньше, а из асинхронных интерфейсов я - если ничего не путаю - припоминаю лишь АТА или UART. Хотя вот сейчас я могу очень сильно соврать, ибо подробно я его не помню (АТА, всмысле). Ну а всё остальное мной виденное на практике - оно либо синхронное (тактовый сигнал есть), либо с 8b/10b, когда тактовая напрямую восстанавливается из потока. Ну а что вопрос не корректен - каюсь, не сильно я вопросах компетентен.

[vak]

Страницы 7...10 умной книжки: "Potential advantages of asynchronous design". :)
Кстати, она есть в сети в формате PDF: https://lib.lhu.edu.vn/ViewFile/2511

[andrey-yurin.livejournal.com]

Ага, спасибо. Посмотрел. Ну если с Low Power и Reduced EMI более-менее интуитивно понятно, то вот в High Perfomance поверить уже не так-то просто (я не оспариваю ни в коем случае - просто удивляюсь). Ну и насчёт асинхронного дизайна. Вот тот же TimeQuest у Альтеры как средство временнОго анализа. Вот сколько я его видел - там инструментов для асинхронного дизайна я не припомню (хотя это не значит, что их там нет). Тем более для меня удивительно, что асинхронный дизайн вполне жизнеспособен. Собственно потому такие вопросы странные и появляются :)
В любом случае спасибо за наводку на книжку. Век живи, век учись - а всё равно дураком помрёшь.

[1500py470.livejournal.com]

А асинхронная тема тебя только сейчас заинтересовала или статьи Варшавского ещё во времена СССР читал?

[vak]

В последние несколько месяцев увлёкся. Варшавского не читал.

[gouriev.livejournal.com]

но большая избыточность.

и эта... система монотонных функций неполна...
не любую функцию можно представить комбинацией монотонных. передача сигнала ОК, но не всякая
обработка реализуема.

или тоже разруливается за счет избыточного кодирования?

[vak]

Избыточность кажущаяся. В реальных проектах асинхронное решение часто требует меньшего количества транзисторов, чем традиционная синхронная схема. Плюс отсутствие необходимости в дополнительных слоях металла для распределения глобального синхросигнала.

Система монотонных функций полная. Для полноты достаточно наличия двух бинарных операций И и ИЛИ. Отрицание не требуется, так как прямые и инверсные значения аргументов уже присутствуют на входе.

[gouriev.livejournal.com]

тогда удвоение проводников для каждого логического сигнала

[vak]

Зато экономия на инверторах.

[gouriev.livejournal.com]

а, это да.
если любой сигнал передается позитивной и негативной линией,
то инвертор - это перекрещивание линий.

А в чём смысл смешения

[a-shen.livejournal.com]

данных и флагов готовности? почему бы передатчику и приёмнику не завести по флагу - и когда эти флаги разные, приёмник считывает данные - потом меняет флаг, а когда флаги одинаковые, передатчки помещает новые данные и меняет флаг? Чем это плохо - и вроде никакой монотонности не надо?

Нечувствительность к задержке

[vak]

Такой протокол тоже есть, называется "bundled data channel". Описывается на страницах 16-18 вышеупомянутой "умной книжки". Добавляется еще один сигнал Request от передатчика к приёмнику.



У этого способа есть один принципиальный недостаток. Сигнал Request не должен добегать до приёмника быстрее, чем сигналы данных, иначе всё будет глючить. То есть опять получаем зависимость от задержек.

?

[mrupor]

"Здесь действуют два важных правила. В фазе 1 (когда ack=0) передатчик имеет право формировать на шине данных только положительные фронты. В фазе 3 (когда ack=1) допускаются только отрицательные фронты. При этих условиях синхронизация всегда устойчива,..."


на это есть доказательство? т.е. как этот принцип позволяет выяснить потерю синхронизации

[vak]

Основную работу по математическим доказательствам в области этих асинхронных цепей проделал Kees van Berkel в своей работе 1993 года "Handshake circuits: an asynchronous architecture for VLSI programming". Имеется ранний вариант в виде PDF.