مدار آسنکرون

مدارهای منطقی می‌توانند به دو دستهٔ مدارهای منطقی ترکیبی (در آن‌ها سیگنال خروجی فقط به سیگنال ورودی فعلی وابسته است) ومنطق ترتیبی (در آن‌ها خروجی هم به ورودی فعلی و هم به ورودی پیشین وابسته است) تقسیم می‌شوند.

در مدارهای منطقی سنکرون یک اسیلاتور الکترونیکی یک سری تکرارشونده از پالس‌های هم اندازه را تولید می‌کنند که سیگنال کلاک نامیده می‌شود. سیگنال کلاک یاد شده به تمام المان‌های حافظه موجود در مدار که فلیپ-فلاپ نامیده می‌شود اعمال می‌شود. خروجی فلیپ-فلاپ‌ها فقط زمانی تغییر می‌کند که لبهٔ پالس کلاک ایجاد شود؛ بنابراین تغییرات در سیگنال‌های منطقی مدار همگی به صورت همزمان و در فاصلهٔ منظم همگام با کلاک انجام می‌شود. خروجی تمام اجزای مدار حالت مدار نامیده می‌شود.

حالت یک مدار سنکرون فقط با پالس کلاک تغییر می‌کند. تغییر در سیگنال نیز به مقدار مشخصی از زمان برای انتشار از طریق گیت‌های منطق ترکیبی مدار دارد که تأخیر انتشار نامیده می‌شود. دوره تناوب سیگنال کلاک به اندازهٔ کافی طول می‌کشد بنابراین خروجی تمام گیت‌های منطقی زمان کافی برای پایدار شدن مقادیرشان پیش از پالس کلاک بعدی را دارند. تا زمانی که این شرایط برآورده شود، مدارهای سنکرون به صورت پایدار عمل می‌کنند بنابراین طراحی این مدارها ساده است.

هرچند یک نقص مدارهای سنکرون این است که آهسته هستند. حداکثر سرعت کلاک ممکن به وسیلهٔ سیر منطقی با طولانی‌ترین تأخیر انتشار تعیین می‌شود که مسیر بحرانی نامیده می‌شود؛ بنابراین مسیرهای منطقی که سریعاً عملیات خود را به پایان می‌رسانند اغلب بیکار هستند. مشکل دیگر این است که سیگنال کلاکی که به‌طور گسترده توزیع شده‌است توان زیادی مصرف می‌کند و این عمل پیوسته انجام می‌شود خواه مدار ورودی بگیرد یا نگیرد. در مدارهای آسنکرون سیگنال کلاک وجود ندارد و حالت مدار به محض تغییر ورودی تغییر می‌کند. از آن جا که مدارهای آسنکرون برای پردازش ورودی مجبور به انتظار برای یک پالس کلاک نیستند، می‌توانند از مدارهای سنکرون سریع تر باشند و سرعت آن‌ها از نظر تئوری فقط با تأخیر انتشار گیت‌های منطقی محدود می‌شود. با این حال طراحی مدارهای آسنکرون مشکل‌تر است و این مسئله ای است که در مدارهای سنکرون وجود ندارد. این موضوع به این دلیل است که حالت حاصل از یک مدار آسنکرون می‌تواند حساس به زمان رسیدن نسبی ورودی‌ها در گیت‌ها باشد. اگر انتقال دو ورودی در یک زمان تقریباً یکسان باشد، مدار ممکن است به حالت اشتباه وابسته به اختلاف ناشی از تأخیر انتشار گیت‌ها برود که به آن وضعیت رقابت می‌گویند. این وضعیت در مدارهای سنکرون بسیار کم‌تر است چرا که وضعیت رقابت فقط هنگامی می‌تواند رخ دهد که ورودی‌ها از خارج سیستم سنکرون باشند که ورودی‌های آسنکرون نامیده می‌شوند. اگر چه بعضی از سیستم‌های دیجیتال به صورت تماماً آسنکرون ساخته شده‌اند، امروزه مدارهای آسنکرون معمولاً در بخش‌های بحرانی مدارهای سنکرون استفاده می‌شوند و سرعت آن‌ها در مقیاس بالاتری است همچون مدارهای پردازش سیگنال.

لفظ منطق آسنکرون برای توصیف مدل‌های مختلف طراحی استفاده می‌شود که از فرضیات مختلف در مورد ویژگی‌های مدار استفاده می‌کند.این مدل‌ها با مدل تأخیر همراه متفاوت است که از المان‌های پردازش داده متعارف با اتمام نشان داده شده توسط یک مدل تأخیر محلی تولید شده-برای طراحی تأخیر غیر حساس-جایی که تاخیرهای دلخواه درون المان‌های مدار می‌توانند تطبیق داده شوند.

مدل بعدی تمایل دارد به مداری دست یابد که بزرگ‌تر از پیاده‌سازی داده‌های همراه اند اما نسبت به طرح بندی و دگرگونی‌های پارامتریک غیر حساس اند و بنابراین به وسیلهٔ طراحی اصلاح می‌شوند.

شبکه‌های پتری شبکه ای جذاب و قدرتمند برای استدلال در مورد مدارهای آسنکرون هستند. با این حال شبکه‌های پتری برای فقدان واقع گرایی فیزیکی مورد انتقاد قرار گرفته‌اند. (نگاه کنید به شبکه پتری:مدل‌های بعدی همزمان). بعد از شبکه پتری مدل‌های همگرایی دیگری توسعه داده شدند که می‌توانند مدارات آسنکرون را مدل‌سازی کنند که شامل مدل‌های اکتر و محاسبات فرایندی است.

انواع مختلفی از مزایا توسط مدارهای آسنکرون نشان داده شده است شامل هر دو مدار شبه تأخیر-غیر حساس (QRD) (به‌طور کلی موافقت کردند که "خالص ترین" شکل منطق آسنکرون است که جهانی بودن محاسباتی را حفظ می کند) و اشکال کمتر خالص مدارهای آسنکرون که از محدودیت های زمان‌بندی برای عملکرد بالاتر و قدرت و سطح پایین‌تر استفاده می کنند.

• رسیدگی قوی به قابلیت متغیر بودن داوران.
• واحدهای عملکرد بالاتر ، که به جای اتمام در بدترین حالت ، اتمام متوسط (یعنی وابسته به داده) را ارائه می دهند. به عنوان مثال می توان به اتمام احتکار اشاره کرد که برای طراحی جمع‌کننده های پیشوند موازی سریعتر از مدارهای سنکرون استفاده شده است و یک عدد جمع‌کننده با دقت دو برابر شناور با کارایی بالا که عملکرد بهتری نسبت به طرح های سنکرون دارد.
• اتمام زودهنگام مدار وقتی مشخص شود ورودی هایی که هنوز وارد نشده اند بی ربط هستند.
• مصرف برق پایین‌تر زیرا هیچ ترانزیستوری هرگز انتقال نمی یابد مگر اینکه محاسبات مفیدی را انجام دهد. اپسون 70٪ مصرف برق کمتر از طراحی سنکرون را گزارش کرده است. همچنین ، درایورهای ساعت را می توان حذف کرد که می تواند به‌طور قابل توجهی مصرف برق را کاهش دهد. با این حال ، هنگام استفاده از رمزگذاری های خاص ، مدارهای آسنکرون ممکن است به مساحت بیشتری احتیاج داشته باشند ، که اگر فرایند اساسی دارای ویژگی نشت ضعیفی باشد (به عنوان مثال ، فرایندهای زیر میکرومتری عمیق که قبل از معرفی دی الکتریک های بالا κ استفاده شده است) ، می تواند منجر به افزایش مصرف برق شود.
• خطوط لوله "الاستیک" ، که در حالی که به راحتی از میزان متغیر ورودی و خروجی استفاده می کنند و تاخیرهای مرحله خطا را با هم مطابقت نمی دهند ، عملکرد بالایی دارند.
• رهایی از مشکلات رو به وخامت توزیع سیگنال ساعت با فن خنک‌کننده و حساس به زمان.
• مدولار بودن و ترکیب پذیری بهتر.
• فرضیه های بسیار کمتری در مورد روند تولید مورد نیاز است(بیشتر فرضیات در مورد فرض های زمان‌بندی هستند).
• سرعت مدار به جای اینکه در سرعتی که توسط فرضیات بدتر تعیین شده قفل شود ، با تغییر دما و ولتاژ سازگار می شود.
• مصونیت در برابر تغییرپذیری ترانزیستور به ترانزیستور در فرایند تولید ، که یکی از جدی ترین مشکلات صنعت نیمه رساناست که با کوچک شدن آن روبه رو می شوند.
• تداخل کمتر جریان الکترومغناطیسی شدید (EMI). مدارهای سنکرون مقدار زیادی EMI را در باند فرکانس (یا بسیار نزدیک به) فرکانس ساعت و هارمونیک های آن ایجاد می کنند. مدارهای آسنکرون الگوهای EMI تولید می کنند که به‌طور مساوی تری در طیف ، پخش می شوند.
• در مدارهای آسنکرون ، سیگنالینگ محلی نیاز به همگام سازی جهانی را از بین می برد که از برخی مزایای ذاتی مدار آسنکرون در مقایسه با مدار سنکرون استفاده می کند. آنها خصوصیات ذاتی در مصرف کم انرژی ، استفاده مجدد از طراحی ، بهبود ایمنی صدا و سازگاری الکترومغناطیسی نشان داده اند. مدارهای آسنکرون در برابر تغییرات فرایند و نوسانات ولتاژ خارجی تحمل بیشتری دارند.
• استرس کمتری در شبکه توزیع برق. مدارهای سنکرون می توانند مقدار زیادی جریان را در لبه ساعت و اندکی بعد از آن بکشند. تعداد گره های سوئیچینگ (و از آنجا ، مقدار جریان کشیده شده) پس از لبه ساعت به سرعت پایین می آید و درست قبل از لبه ساعت بعدی به صفر می رسد. در یک مدار آسنکرون ، زمان سوئیچینگ گره ها به این ترتیب با هم همبستگی ندارند ، بنابراین رسم جریان تمایل دارد یکنواخت تر باشد و از گسستگی کمتری برخوردار باشد.

• سربار مساحت ناشی از افزایش تعداد عناصر مدار (ترانزیستورها). در بعضی موارد ، به دلیل اضافه شدن مدارهای مکمل بازرسی و طراحی برای آزمایش ، ممکن است یک مدار آسنکرون به دو برابر منابع یک مدار سنکرون نیاز داشته باشد.
• افراد کمتری در این سبک در مقایسه با طراحی سنکرون آموزش می بینند.
• آزمایش و سنکرون رفع اشکال مدارهای سنکرون ذاتاً آسانتر از مدارهای آسنکرون است است. با این حال ، این موضع توسط فانت مورد اختلاف است ، وی ادعا می کند که سادگی ظاهری منطق مدار سنکرون مصنوع مدل های ریاضی است که توسط رویکردهای طراحی مشترک استفاده می شود.
• گیت ساعت در طرحهای مدار سنکرون ، نزدیک به حالت ایده‌آل مدار آسنکرون است و در بعضی موارد ، سادگی آن می تواند از مزایای یک طراحی کاملاً آسنکرون بیشتر باشد.
• عملکرد (سرعت) مدارهای آسنکرون ممکن است در معماری هایی که نیاز به ورودی کامل دارند (مسیر داده پیچیده‌تر) کاهش یابد.
• فقدان ابزارهای اختصاصی مدار آسنکرون تجاری متمرکز بر طراحی EDA.

روش های مختلفی برای ایجاد کانال های ارتباطی آسنکرون وجود دارد که می توانند توسط پروتکل و رمزگذاری داده ها طبقه‌بندی شوند.

پروتکل ها

دو نوع پروتکل بسیار پرکاربرد وجود دارد که در نحوه رمزگذاری ارتباطات متفاوت هستند:

• دست دادن دو فاز (با نام تجاری پروتکل دو فاز ، رمزگذاری غیر بازگشت به صفر (NRZ) یا سیگنالینگ انتقال): ارتباطات با هر انتقال سیم نشان داده می شوند. انتقال از 0 به 1 و از 1 به 0 هر دو ارتباطات محسوب می شوند.
• دست دادن چهار فاز (با نام تجاری پروتکل چهار فاز ، رمزگذاری بازگشت به صفر (RZ)): ارتباطات با انتقال سیم و به دنبال آن

تنظیم مجدد نشان داده می شوند. یک توالی انتقال از 0 به 1 و بازگشت به 0 به عنوان یک ارتباط واحد محسوب می شود. مدارهایی که پروتکل های چهار فاز را اجرا می کنند ، علی‌رغم انتقال بیشتر در هر ارتباط ، معمولاً سریعتر و ساده‌تر از پروتکل های دو فاز هستند زیرا خطوط سیگنال با پایان هر ارتباط به حالت اولیه خود برمی گردند. در پروتکل های دو فاز ، پیاده‌سازی مدار باید وضعیت خط سیگنال را به صورت داخلی ذخیره کند.

توجه داشته باشید که این تمایزات اساسی طیف گسترده ای از پروتکل ها را در بر نمی گیرد. این پروتکل ها ممکن است فقط درخواست ها و تأییدها را رمزگذاری کنند یا داده ها را نیز رمزگذاری کنند ، که منجر به رمزگذاری دلخواه داده های چند سیمه می شود. بسیاری از پروتکل های دیگری که کمتر متداول هستند از جمله استفاده از یک سیم برای درخواست و تأیید ، استفاده از چندین ولتاژ قابل توجه ، استفاده از پالس ها به تنهایی یا زمان‌بندی تعادل برای حذف قفل ها ارائه شده است.

رمزگذاری داده ها

دو رمزگذاری داده به‌طور گسترده در مدارهای آسنکرون وجود دارد: رمزگذاری داده همراه و رمزگذاری چند ریل.

روش متداول دیگر برای رمزگذاری داده ها ، استفاده از چندین سیم برای رمزگذاری یک رقم است: مقدار آن توسط سیمی که رویداد روی آن رخ می دهد تعیین می شود. این امر از برخی فرضیات تأخیر لازم با رمزگذاری داده های دسته ای جلوگیری می کند ، زیرا درخواست و داده ها دیگر از هم تفکیک نشده اند.

رمزگذاری داده همراه

رمزگذاری داده های همراه از یک سیم در هر بیت داده با درخواست و سیگنال تأیید استفاده می کند. این همان رمزگذاری است که در مدارهای سنکرون بدون محدودیت انتقال در لبه ساعت استفاده می شود. درخواست و تأیید بر روی سیم های جداگانه با یکی از پروتکل های فوق ارسال می شود. این مدارها معمولاً یک مدل تأخیر محدود را در نظر می گیرند که سیگنال های تمام کننده به اندازه کافی برای انجام محاسبات تأخیر دارند.

در عمل ، فرستنده با ارسال درخواست ، از در دسترس بودن و اعتبار داده ها خبر می دهد. سپس گیرنده با یک تأیید نشان می دهد که قادر به پردازش درخواست های جدید است. به این خاطر که درخواست همراه با داده می باشد ، از این رو نام "داده ی همراه" را دارد.

از مدارهای همراه داده اغلب به عنوان خط لوله های میکرو نام برده می شود ، خواه از یک پروتکل دو فاز یا چهار فاز استفاده کنند ، حتی اگر این اصطلاح در ابتدا برای داده های همراه دو فازی معرفی شده باشد.

رمزگذاری چند ریل

رمزگذاری چند ریل از چندین سیم بدون رابطه یک به یک بین بیت ها و سیم ها و سیگنال تأیید جداگانه استفاده می کند. در دسترس بودن داده ها توسط انتقال در یک یا چند سیم داده نشان داده می شود (بسته به نوع رمزگذاری چند ریل) به جای اینکه با یک سیگنال درخواست مانند رمزگذاری داده های همراه باشد. ین مزیت را فراهم می کند که ارتباط داده نسبت به تأخیر حساس نیست. دو رمزگذار چند ریل متداول, ریل یک گرم (داغ) و دو ریل هستند. رمزگذاری یک داغ (معروف به 1 عدد n) عددی را در پایه n با ارتباطات روی یکی از n سیم ها نشان می دهد. رمزگذاری دو ریل از یک جفت سیم برای نشان دادن هر بیت از داده استفاده می کند ، از این رو نام آن "دو ریل" است. یک سیم در این جفت نشان دهنده مقدار بیت 0 و دیگری نشان دهنده مقدار بیت 1. به عنوان مثال ، یک عدد دو بیتی رمز شده با دو ریل با دو جفت سیم و در مجموع با چهار سیم نشان داده می شود. در طی یک ارتباط داده ای ، ارتباطات روی هر یک از جفت سیم ها رخ می دهد تا بیت های داده را نشان دهد.

رمزگذاری دو ریل با پروتکل چهار فاز رایج ترین نوع رمزگذاری است و به آن رمزگذاری سه حالته نیز گفته می شود ، زیرا دارای دو حالت معتبر (10 و 01 ، پس از انتقال) و حالت تنظیم مجدد (00) است. رمزگذاری متداول دیگر که منجر به اجرای ساده‌تری نسبت به ریل یک داغ می شود ، دو فاز دو ریل رمزگذاری چهار حالته است و از یک بیت داده و یک بیت برابری برای دستیابی به یک پروتکل دو فازی استفاده می کند.

پردازنده های آسنکرون یکی از چندین ایده برای تغییر اساسی طراحی پردازنده است. بر خلاف پردازنده معمولی ، یک پردازنده بدون ساعت (پردازنده آسنکرون) هیچ ساعت مرکزی برای هماهنگی هماهنگ داده ها از طریق خط لوله ندارد. در عوض ، مراحل پردازنده با استفاده از دستگاه های منطقی به نام "کنترل خط لوله" یا "توالی دهنده های FIFO" هماهنگ می شوند. اساساً ، کنترل‌کننده خط لوله با اتمام مرحله موجود مرحله بعدی منطق را مشاهده می کند. به این ترتیب ، یک ساعت مرکزی ضروری نیست. در واقع حتی ممکن است اجرای دستگاه های با کارایی بالا به صورت آسنکرون ، بر خلاف منطق ساعت دار ، حتی آسان‌تر باشد:

• اجزا می توانند با سرعتهای مختلف روی پردازنده آسنکرون کار کنند. تمام اجزای اصلی پردازنده با سصنجش زمان باید با ساعت مرکزی هماهنگ باشند.
• پردازنده مرکزی نمی تواند سریعتر از بدترین عملکرد مورد انتظار کندترین مرحله آموزش و ترکیب دهنده پیش رود. هنگامی که یک پردازنده آسنکرون سریعتر از آنچه پیش‌بینی شده است یک عملیات را به اتمام می رساند ، مرحله بعدی می تواند بلافاصله شروع به پردازش نتایج کند ، نه اینکه منتظر هماهنگی با ساعت مرکزی باشد. یک عملیات ممکن است نسبت به حالت عادی به دلیل ویژگی های داده های پردازش شده (به عنوان مثال ، ضرب در هنگام ضرب در 0 یا 1 می تواند بسیار سریع باشد ، حتی هنگام اجرای کد تولید شده توسط یک کامپایلر ساده) ، یا به دلیل وجود ولتاژ بالاتر یا تنظیم سرعت گذرگاه ، یا دمای محیط پایین‌تر ، از حالت معمول یا مورد انتظار سریعتر به پایان برسد.

طرفداران منطق آسنکرون معتقدند این قابلیت ها دارای این مزایا هستند:

• اتلاف برق کمتر برای یک سطح عملکرد داده شده
• بالاترین سرعت اجرای ممکن

بزرگترین عیب پردازنده بدون ساعت این است که بیشتر ابزارهای طراحی پردازنده یک پردازنده با سنجش زمان را فرض می کنند (به عنوان مثال یک مدار سنکرون). بسیاری از ابزارها شیوه های طراحی سنکرون را اجرا می کنند. ساخت یک پردازنده بدون ساعت (طراحی یک مدار آسنکرون) شامل اصلاح ابزار طراحی برای کنترل منطق بدون ساعت و انجام آزمایش های اضافی برای اطمینان از جلوگیری از مشکلات قابل جابجایی در طراحی است. به عنوان مثال گروهی که AMULET را طراحی کردند ابزاری به نام LARD برای مقابله با طراحی پیچیده AMULET3 تولید کردند.

با وجود دشواری انجام این کار ، CPU های آسنکرون زیادی ساخته شده است ، از جمله:

ILLIAC II اولین طراحی پردازنده کاملاً آسنکرون و سریع و مستقل است که تاکنون ساخته شده است. این قدرتمندترین کامپیوتر در آن زمان بود.

DEC PDP-16 نمونه های انتقال ثبات (حدود سال 1973) به آزمایشگر اجازه ساخت عناصر پردازش آسنکرون 16 بیتی را داد. تاخیرهای مربوط به هر نمنه برطرف شده و بر اساس زمان‌بندی بدترین نمونه انجام شده است.

ریزپردازنده آسنکرون Caltech (1988) اولین ریز پردازنده آسنکرون (1988) بود. Caltech اولین پردازنده کاملاً شبه تأخیری غیر حساس جهان را طراحی و تولید کرد. [نیاز به منبع] در طی نمایش ها ، محققان یک برنامه ساده را بارگذاری کردند که در یک حلقه فشرده اجرا می شد و پس از هر دستورالعمل ، یکی از خطوط خروجی را پالس می کرد. این خط خروجی به نوسان سنج متصل است. هنگامی که یک فنجان قهوه داغ روی تراشه قرار گرفت ، سرعت پالش (سرعت مؤثر ساعت) به‌طور طبیعی کاهش می یابد تا با عملکرد بدتر ترانزیستورهای گرم شده سازگار شود. وقتی نیتروژن مایع روی تراشه ریخته شد ، سرعت دستورالعمل بدون هیچ گونه مداخله دیگری افزایش می یابد. بعلاوه ، در دماهای پایین می توان ولتاژ وارد شده به تراشه را با خیال راحت افزایش داد ، که همچنین باعث افزایش سرعت دستورالعمل می شود به صورت مجدد و بدون هیچگونه تنظیمات اضافی.

در سال 2004 ، اپسون اولین ریزپردازنده انعطاف‌پذیر جهان را با نام ACT11 که یک تراشه آسنکرون 8 بیتی است تولید کرد. پردازنده های انعطاف‌پذیر سنکرون سرعت کمتری دارند ، زیرا خم شدن موادی که تراشه بر روی آن ساخته شده است باعث تغییرات زیاد و غیرقابل پیش‌بینی در تأخیر ترانزیستورهای مختلف می شود که برای این موارد باید سناریوهای بدترین حالت را در همه جا فرض کرد و همه چیز را باید در بدترین حالت زمان سنجش کرد. این پردازنده برای استفاده در کارت های هوشمند در نظر گرفته شده است که اندازه تراشه های آنها در حال حاضر به اندازه کافی کوچک است که می تواند کاملاً سفت و سخت باقی بماند.

در سال 2014 ، IBM تراشه توسعه یافته SyNAPSE را اعلام کرد که به روش آسنکرون اجرا می شود و دارای یکی از بالاترین تعداد ترانزیستور از هر تراشه ی تولید شده می باشد. تراشه IBM نسبت به سیستم های محاسباتی سنتی در معیارهای تشخیص الگو ، برق کمتری را مصرف می کند.

• طراحی و تحلیل مدارهای منطقی دیجیتال، نلسون
• طراحی دیجیتال (مدار منطقی)، موریس مانو