Перекос часов

Несовпадение сигналов синхронизации с разных путей

Смещение тактового сигнала (иногда называемое смещением синхронизации ) — явление в синхронных цифровых схемных системах (таких как компьютерные системы), в которых один и тот же исходный тактовый сигнал поступает на разные компоненты в разное время из-за затвора или, в более продвинутой полупроводниковой технологии , распространения сигнала по проводу. задерживать . Мгновенная разница между показаниями любых двух часов называется их перекосом.

Работа большинства цифровых схем синхронизируется периодическим сигналом, известным как « часы », который определяет последовательность и темп работы устройств в цепи. Эта тактовая частота распределяется из одного источника на все элементы памяти схемы, которыми, например, могут быть регистры или триггеры . В схеме, использующей регистры, запускаемые по фронту, когда фронт тактового сигнала или такт поступает в регистр, регистр передает входные данные регистра на выход регистра, и эти новые выходные значения проходят через комбинационную логику , чтобы предоставить значения на входы регистра для следующего тиканье часов.

В идеале входные данные каждого элемента памяти достигают своего конечного значения к следующему такту тактовой частоты, чтобы можно было точно предсказать поведение всей схемы. Максимальная скорость, с которой может работать система, должна учитывать разницу, возникающую между различными элементами цепи из-за различий в физическом составе, температуре и длине пути.

В синхронной схеме два регистра или триггера называются «последовательно соседними», если их соединяет логический путь. Учитывая два последовательно соседних регистра R _i и R _j со временем прибытия тактовых импульсов на тактовые контакты регистра источника и назначения, равными TC _{i и} TC _{j соответственно} , сдвиг тактового сигнала может быть определен как: T _{skew i, j} = _{TC i} - Т _{С Дж} .

В схемотехнике

Рассогласование тактового сигнала может быть вызвано множеством разных причин, таких как длина межсоединения проводов, изменения температуры, различия в промежуточных устройствах, емкостная связь , несовершенство материалов и различия во входной емкости на тактовых входах устройств, использующих тактовую частоту. По мере увеличения тактовой частоты схемы время становится более важным, и для правильной работы схемы можно допустить меньшие отклонения.

Существует два типа асимметрии тактового сигнала: отрицательная и положительная . Положительный сдвиг возникает, когда принимающий регистр получает такт позже, чем передающий регистр. Отрицательный сдвиг является противоположным: передающий регистр получает такт позже, чем принимающий регистр. Нулевой сдвиг тактового сигнала означает одновременное появление тактового сигнала в передающем и принимающем регистрах. ^[1]

Вредный перекос

Существует два типа нарушений, которые могут быть вызваны перекосом часов. Одна проблема возникает, когда тактовый сигнал достигает первого регистра, а тактовый сигнал ко второму регистру проходит медленнее, чем вывод первого регистра во второй регистр - выходной сигнал первого регистра достигает входа второго регистра быстрее и, следовательно, тактируется, заменяя начальные данные во втором регистре или, возможно, нарушив целостность запертых данных. Это называется нарушением удержания , поскольку предыдущие данные не удерживаются на триггере назначения достаточно долго, чтобы их можно было правильно тактировать. Другая проблема возникает, если триггер-адресат получает тактовый такт раньше, чем триггер-источник — сигнал данных имеет гораздо меньше времени, чтобы достичь триггера-адресата до следующего тактового такта. Если этого не сделать, происходит нарушение настройки , называемое так потому, что новые данные не были установлены и стабильны до прихода следующего такта. Нарушение удержания является более серьезным, чем нарушение настройки, поскольку его нельзя исправить путем увеличения периода тактирования. Положительная и отрицательная асимметрия не могут отрицательно влиять на временные ограничения установки и удержания соответственно (см. неравенства ниже).

Выгодный перекос

Там, где сигнал в целом тактирует цепь, сигналы/переходы состояний, которые он инициирует, должны быть стабилизированы, прежде чем он сигнализирует о другом наборе переходов состояний - и это ограничивает верхнюю частоту тактового сигнала. Таким образом, перекос уменьшает тактовую частоту, при которой схема будет работать правильно. Для каждого регистра источника и регистра назначения, соединенных путем, должны соблюдаться следующие неравенства установки и хранения:

1. ${\displaystyle T\geq {\text{reg}}+{\text{path}}_{\text{max}}+J+S-(s_{d}-s_{s})}$
2. ${\displaystyle (s_{d}-s_{s})\leq {\text{reg}}+{\text{path}}_{\text{min}}-J-H}$

где

• T – период тактов,
• reg — тактовая частота исходного регистра до задержки Q,
• ${\displaystyle {\text{path}}_{\text{max}}}$это путь с наибольшей задержкой от источника до пункта назначения,
• J — верхняя граница джиттера,
• S — время установки регистра назначения.
• ${\displaystyle (s_{d}-s_{s})}$представляет собой сдвиг тактового сигнала от регистров источника к регистрам назначения,
• ${\displaystyle {\text{path}}_{\text{min}}}$это путь с наименьшей задержкой от источника до пункта назначения,
• H — время удержания регистра назначения,
• ${\displaystyle s_{d}}$- это сдвиг часов по отношению к регистру назначения, и
• ${\displaystyle s_{s}}$это сдвиг тактового сигнала относительно исходного регистра.

Положительные отклонения тактовой частоты хороши для устранения нарушений настройки, но могут вызвать нарушения удержания. Отрицательный сдвиг тактового сигнала может защитить от нарушения удержания, но может вызвать нарушение настройки.

В приведенных выше неравенствах для учета джиттера используется единственный параметр J. Этот параметр должен быть верхней границей разницы в джиттере для всех пар регистров источника/регистров назначения. Однако, если структура сети распределения тактового сигнала известна, разные пары регистра источника/регистра назначения могут иметь разные параметры джиттера, и другое значение джиттера может использоваться для ограничения удержания в отличие от значения для ограничения установки. Например, если регистр источника и регистр назначения получают свои тактовые сигналы из общего ближайшего буфера тактовых импульсов, джиттер, ограниченный этим ограничением хранения, может быть очень небольшим, поскольку любое изменение этого тактового сигнала будет одинаково влиять на оба регистра. В том же примере граница джиттера для ограничения настройки должна быть больше, чем для ограничения удержания, поскольку джиттер может меняться от такта часов к такту часов. Если исходный регистр получает свой тактовый сигнал из листового буфера сети распределения тактовых импульсов, который находится далеко от листового буфера, питающего регистр назначения, то граница джиттера должна быть больше, чтобы учитывать разные пути тактового сигнала к двум регистрам. , к которым могут быть подключены разные источники шума.

Рисунок 1. Опасности нулевого перекоса. Путь FF2 -> FF3 будет работать неправильно с нарушением удержания, если произойдет небольшая дополнительная задержка тактового сигнала на FF3, например дрожание тактового сигнала.

Рисунок 2. Небольшая задержка, вставленная на тактовый вход FF2, защищает от нарушения удержания в пути FF2 -> FF3 и в то же время позволяет каналу FF1 -> FF2 работать с более низким периодом тактовой частоты. Эта схема намеренного перекоса и безопаснее, и быстрее, чем схема с нулевым перекосом, показанная на рисунке 1.

Рисунки 1 и 2 иллюстрируют ситуацию, когда преднамеренный сдвиг тактового сигнала может принести пользу синхронной схеме. ^[2] В схеме с нулевым перекосом, показанной на рисунке 1, длинный путь идет от триггера FF1 к триггеру FF2, а короткий путь, такой как путь сдвигового регистра, от FF2 к FF3. Путь FF2 -> FF3 опасно близок к нарушению удержания: если даже небольшая дополнительная задержка тактового сигнала произойдет на FF3, это может уничтожить данные на входе D FF3 до того, как прибудет тактовый сигнал, чтобы синхронизировать его с Q FF3. выход. Это могло произойти, даже если FF2 и FF3 были физически близки друг к другу, если бы их тактовые входы поступали из разных конечных буферов сети распределения тактовых импульсов.

На рис. 2 показано, как можно решить проблему с помощью преднамеренного перекоса тактовой частоты. Небольшая дополнительная задержка вставляется перед тактовым входом FF2, что затем безопасно позиционирует путь FF2 -> FF3 вдали от нарушения удержания. Дополнительным преимуществом является то, что та же самая дополнительная задержка тактового сигнала ослабляет ограничение настройки для пути FF1 -> FF2. Путь FF1 -> FF2 может работать корректно при периоде тактового сигнала, меньшем, чем тот, который требуется для случая нулевого перекоса тактового сигнала, на величину, равную задержке добавленного буфера задержки тактового сигнала.

Распространенное заблуждение о преднамеренном сдвиге тактовых импульсов состоит в том, что он обязательно более опасен, чем нулевой сдвиг тактовых импульсов, или что он требует более точного контроля задержек в сети распределения тактовых импульсов. Однако именно схема с нулевым перекосом, показанная на рисунке 1, более близка к неисправности - небольшой положительный сдвиг тактового сигнала для пары FF2 -> FF3 приведет к нарушению удержания, тогда как схема преднамеренного перекоса, показанная на рисунке 2, более терпима к непреднамеренной задержке. вариации в распределении часов.

Оптимальный перекос

Если время поступления тактового сигнала в отдельные регистры рассматривать как переменные, которые необходимо корректировать, чтобы минимизировать период тактового сигнала, одновременно удовлетворяя неравенствам установки и хранения для всех путей через схему, то результатом является проблема линейного программирования . ^[3] В этой линейной программе нулевой сдвиг тактовой частоты является просто допустимой точкой - решение линейной программы обычно дает тактовый период, который меньше, чем тот, который достигается при нулевом сдвиге. Кроме того, запасы безопасности, превышающие или равные случаю нулевой асимметрии, могут быть гарантированы путем установки времени установки и удержания, а также ограничения джиттера в линейной программе.

Благодаря простой форме этой линейной программы для поиска решения доступен легко программируемый алгоритм. ^[2] Большинство CAD-систем для проектирования СБИС и ПЛИС содержат средства для оптимизации отклонения тактовой частоты.

Путаница между перекосом тактового сигнала и джиттером тактового сигнала

В дополнение к перекосу тактового сигнала из-за статических различий в задержке тактового сигнала от источника тактового сигнала до каждого тактируемого регистра, ни один тактовый сигнал не является идеально периодическим, так что период тактового сигнала или время тактового цикла варьируется даже для одного компонента, и это изменение известно. как дрожание часов . В определенной точке сети распределения тактового сигнала джиттер является единственным фактором, влияющим на неопределенность синхронизации тактового сигнала.

В качестве приближения часто бывает полезно обсудить общую неопределенность тактового сигнала между двумя регистрами как сумму пространственного перекоса тактового сигнала (пространственных различий в задержке тактового сигнала от источника тактового сигнала) и джиттера тактового сигнала (что означает непериодичность тактового сигнала). в определенной точке сети). К сожалению, пространственный сдвиг тактового сигнала меняется во времени от одного цикла к другому из-за локальных зависящих от времени изменений источника питания, местной температуры и шумовой связи с другими сигналами.

Таким образом, в обычном случае отправки и получения регистров в разных местах не существует четкого способа разделить общую неопределенность синхронизации тактового сигнала на пространственный перекос и джиттер. Таким образом, некоторые авторы используют термин «асимметрия тактового сигнала» для описания суммы пространственного сдвига тактового сигнала и джиттера тактового сигнала. Это, конечно, означает, что сдвиг часов между двумя точками меняется от цикла к циклу, и это сложность, о которой редко упоминают. Многие другие авторы используют термин «асимметрия тактового сигнала» только для обозначения пространственных изменений времени тактового сигнала и используют термин «дрожание тактового сигнала» для обозначения остальной части общей неопределенности тактового сигнала. Это, конечно, означает, что джиттер тактовой частоты должен быть разным для каждого компонента, что опять же редко обсуждается.

К счастью, во многих случаях пространственный сдвиг тактового сигнала остается довольно постоянным от цикла к циклу, так что остальная часть общей неопределенности тактового сигнала может быть хорошо аппроксимирована одним общим значением джиттера тактового сигнала.

В сети

В такой сети, как Интернет , асимметрия часов описывает разницу в частоте ( первая производная смещения по времени) разных часов в сети. ^[4] На сетевые операции, для которых требуются временные метки , сопоставимые между хостами, может повлиять перекос часов. Ряд протоколов (например, Network Time Protocol ) был разработан для уменьшения рассогласования часов и обеспечения более стабильных функций. Некоторые приложения (например, игровые серверы ) также могут использовать собственный механизм синхронизации, чтобы избежать проблем с надежностью из-за перекоса тактовой частоты.

Интерфейсы

Рассогласование тактовой частоты является причиной того, что на высоких скоростях или больших расстояниях последовательные интерфейсы (например, Serial Attached SCSI или USB ) предпочтительнее параллельных интерфейсов (например, параллельный SCSI ). ^{[ нужна цитата ]}

Смотрите также

• Дрейф часов
• Джиттер
• асимметрия

Рекомендации

• Фридман, Эби Г. (1995). Сети распределения тактовых импульсов в схемах и системах СБИС . IEEE Пресс. ISBN 978-0-7803-1058-2.
• Фридман, Эби Г. (май 2001 г.). «Сети распределения часов в синхронных цифровых интегральных схемах» (PDF) . Труды IEEE . 89 (5): 665–692. CiteSeerX  10.1.1.7.7824 . дои : 10.1109/5.929649. Архивировано из оригинала (PDF) 1 июня 2015 г. Проверено 9 января 2017 г.
• Тэм, С.; Лимайе, ДЛ; Десаи, ООН (апрель 2004 г.). «Генерация и распределение тактовой частоты для 130-нм процессора Itanium 2 с 6 МБ встроенной кэш-памяти L3». Журнал IEEE твердотельных схем . 39 (4). doi :10.1109/JSSC.2004.825121. S2CID  31388328.

1. Фридман, Э.Г. Проект распределения тактовых импульсов в схемах СБИС - обзор , Международный симпозиум IEEE по схемам и системам, 1993 г. (стр. 1475-1478). ИИЭР, 1993.
2. Махешвари, Н., и Сапатнекар, С.С., Временной анализ и оптимизация последовательных цепей , Kluwer, 1999.
3. Фишберн, JP (июль 1990 г.). «Оптимизация перекоса часов» (PDF) . Транзакции IEEE на компьютерах . 39 (7): 945–951. дои : 10.1109/12.55696.
4. Миллс, Д. (1992). «Спецификация, реализация и анализ сетевого протокола времени (версия 3)». www.tools.ietf.org . дои : 10.17487/RFC1305 . Проверено 30 октября 2017 г.