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【摘 要】与同步电路相比，异步电路模块性能比较好，能源消耗量不高，电磁兼容的能力比较强，不存在时钟偏移性，所以目前得到了社会各界的普遍重视。在进行异步电路分析的时候，设计方法一直是关键的一环，本文对异步集成电路在驱动转换、同异转换、细粒度流水线等设计内容上进行了分析，并且研究探讨了该设计方法的未来走向。
【关键词】异步电路；设计方法；语法驱动转换；同步 异步转换；细粒度异步流水线
一.前言
近年来，电路规模虽然得到了明显的增强，但是对于以往的同步电路来说，能源消耗和时钟偏位等现象也时有发生。异步电路由于存在着能耗不高、电磁融合度好、模块效果显著、不会出现时钟偏位等问题，所以目前倍受社会各界和业界人士所关注。而在以往对同步电路进行设计的时候，设计人员通常会依托时钟的全方位变化来削减或者隐匿电路设计中的复杂布局，使其在设计的时候有所简化，这就由此加快了智能化同步电路的应用速度。但是对异步电路进行设计的时候，时钟并未进行全方位的掩藏，内部格局状态时常出现空间爆炸现象，所以在设计过程中往往要相对复杂一些。科学合理的设计异步电路始终是关注和研讨的重要内容，至今已经超过了半个多世纪，并且逐渐探索推出了异步集成电路的诸多设计理念和技巧。不过截止到现在，尚未研究出具有所有优点的异步集成电路系统。设计人员通常要考虑各种情况的应用空间以及在设计上的总体要求，去选择更加合理的设计思路。但是当前在设计方法的研究和分析上，仍然没有较为详实、系统地归类和比对理论，特别是在现今应用比较普遍的异步集成电路，在设计方法的分析上仍然少之又少。因此，笔者试结合异步集成电路在驱动语法转换、同异转换以及粗细粒度转换等内容，针对设计方法以及技术上应当把握的一些关键点，进行分析和阐述。
二．设计异步集成电路的基本概述
2．1异步集成电路设计基础概念
一是电相握手。同步电路在区分硬件构造逻辑的时候，往往需要借助于同步时钟，而为了确保异步电路的正常运行，就必须在尚未开始顺延时钟沿的时候即顺利的实现工作程序转换。而异步集成电路由于在全局时钟上的缺失型，相应的模块就需要通过握手结合的形式实现交融，这也就形成了电相握手。这种情况主要是明晰异步电路模块实现信源通行功能而对信号进行申请和回应时候形成的时序对称问题，一般有两相和四相握手类型。两相通常是以事件为基点的，而且是基于信号的升起降落沿所完成的数据信息发挥作用和回应功能。四相握手主要是以电平为基点，信号申请回应以及传输数据信息，均必须首先归零，而实现动作顺畅进行的时候，是呈升起的态势，归零的时候是降落的状态。
二是数据编码。设计异步集成电路的时候，往往涉及很多的数据编码方法，但是常见的有数据绑锁和无关延迟这两种形式。而考虑到解码以及数据拆离的实际需要，在无关延迟编码上一般使用的是双轨的方法。数据绑锁编码进行设计的时候，信息输出者通常要借助Req 信号实现数据的正常动作，接收者要借助于Ack 信号以放映采样的顺利完成。使用双轨方法进行数据编码的时候，数据传输通常是1位数据选择2位线道（d.t，d.f），00说明没有数据信息，而01说明出现了数据申请但是是0的状态，10说明数据申请已经发生并且是1，而11则说明出现了非法操作的情况。在对异步集成电路进行设计的时候，往往采取双轨编码同系统检测共同应用的方式，而且在Req信号反映的时候采取自动转换的方法。
三是数据延迟。考虑到线性和对门这两种方式的数据延迟情况，对异步集成电路进行设计的时候，一般划分成无关延迟、准无关延迟、有限延迟及无关速度这几种类型（如表1）。
从上表可以看出，电路模型是从DI到BD依次进行，而且数据延迟在电路假定设计上也呈渐次强化的态势。DI电路不存在数据延迟假定的问题，也就是说线性和门类型的数据延迟能够随机进行，不过完全类型的无关数据延迟并不多件，在使用上也不是很多。QDI电路在线性和门类型的数据延迟上也能够随机进行，不过一旦电路形成了分支结构，数据在分支端点上必须是相等的时限，也就是一定要符合交叉分支的时间对等要求。SI电路对门数据的延迟假定能够随机选取，不过线性数据延迟应该无须考虑。过去很长一段时期，由于设计方法手段和技术不是很发达，可以存在这种假定情况，然而在当前科技进步日新月异、高超的技艺水平层出不穷的背景下，就不得不充分考虑这种线性数据延迟造成的不利制约问题。BD电路通常在数据延迟假定的时候，往往大胆的设想匹配数据延迟的数值要比组合逻辑延迟高出很多，以确保异步集成电路正常发挥作用。但是实际来说，同步电路在数据延迟模型的选择上往往有着非常高的需求，并且是事先已充分掌握了数据延迟状态才实现的电路设计。
2．2异步集成电路设计主要方法
在整个集成电路设计研发过程中，异步集成电路始终是一个非常关键的设计分支，并且经历了三个发展阶段（如表2）。
从上表可以看出，从1950年到1980年，是异步电路设计的第一个阶段，为初始阶段，主要是在异步电路设计方法的理论基础上初步形成和发展完善的过程，比如，西方学者关于异步电路有限研究就给设计方法的改进提供了重要的理论支撑。但是在第一阶段，异步电路设计方法仍然有很多不完善的地方，异步电路系统在应用上仍然有很多不足，使用性能还不是很高。
从1980年到2000年，是异步电路设计的第二个阶段。本阶段在异步电路设计方法上得到了明显的改善，在设计方法上主要是转换语言的应用和通路数据的分类应用这两种类型。
一是转换语言的应用。先是通过CSP语言说明异步电路的基本情况，再对其实行程序性的简洁处理和转换，形成系统可用的设计规则要素，然后通过门级网格的形式进行直观的展示。这种设计方法由于非常直观、清晰地在顶层就阐述了异步电路的基本情况，不必实现区分通路数据和控制结构的复杂操作。只不过采取这种设计方法，对于技术人员要求比较高，他们必须要充分熟悉异步电路的整体改造，而且设计的时候需要进行相对比较复杂的手工简化和转换操作。
二是通路数据的分类应用。采用这种设计方法主要是剥离数据和控制结构的通路系统，再利用各种设计程序和设施来进行操作，最终将二者有机连通，形成异步电路系统。在该设计方法中，比较常见的是微流水线、有限猝发等形式。微流水线设计方法出现的比较早，主要是通过部分区域实现电相握手以取代全方位时钟，实际上是依托事件逻辑结构进行异步电路的流水线设计。而有限猝法状态机设计方法，相对于传统的有限状态机来说，在信号输入上更具有明显的变化特性，并且也是需要进行简化操作来完成异步电路的控制设计。
从2000年开始至今，是第三阶段，也是异步电路设计方法持续发展的重要阶段。在这一阶段，异步集成电路在设计方法上不断向着智能化的方向发展，设计规模不断壮大，而且之间在使用性能要求比较高的领域推广使用。主要的设计方法已经形成了语法驱动转换、同异转换和粗细粒度转换等几种形式。
三.结束语
随着技术工艺的不断推陈出新，当前在对异步集成电路进行设计的过程中，正在形成诸多高效新颖的设计方法，一定程度上带动了异步集成电路设计水平的不断提升。但是对照西方发达国家，我们目前在设计理论的研究和实践方法的探索上仍然处于起步阶段，需要做的工作还很多。另一方面，当前异步集成电路在实践应用上还很不完善，其主要功能以及优越性尚未真正的体现出来，在设计方法上尚有许多急需改进的地方。笔者通过对异步集成电路在设计方法的几个发展阶段进行分析，希望在探索开辟设计思路的理论研究以及设计方法的不断完善上，起到抛砖引玉的功效，确保异步集成电路设计方法的持续变革，确保应用领域不断拓宽，促进电气化事业的健康快速发展。
参考文献：
[1]任洪广、石伟、王志英、苏博、王友瑞.异步集成电路设计方法综述[J].计算机室辅助设计与图形学学报.2011（3）.
[2]孙智权.基于Balsa的异步集成电路设计方法[J].科学技术与工程.2008（16）.
论文作者:王兴东
论文发表刊物:《低碳地产》2016年13期
论文发表时间:2016/11/11
标签：方法论文; 电路论文; 数据论文; 集成电路论文; 时钟论文; 电路设计论文; 集成电路设计论文; 《低碳地产》2016年13期论文;