Синхронізація у цифрових пристроях
У синхронних автоматах кожен стан стійкий і перехідні тимчасові стани не виникають. Концепція боротьби з наслідками ризиків та гонок у синхронних автоматах проста – прийом інформації в елементи пам'яті дозволяється лише після завершення у схемі перехідних процесів. Це забезпечується параметрами синхроімпульсів, що задають інтервали часу завершення тих чи інших процесів. У порівнянні з асинхронними, синхронні АП значно простіші у проектуванні.
На сьогоднішній день і досить тривалу перспективу основним шляхом побудови АП слід вважати застосування тактування, тобто синхронних автоматів.
Синхронізація здійснюється тактовим генератором, сигнали якого розподіляються по всіх частинах пристрою і дозволяють прийом даних елементам пам'яті – синхронним тригерам. Вона впорядковує у часі послідовність операцій під час обробки інформації в ЦУ. Темп обробки визначається частотою тактових сигналів.
Узагальнений тракт обробки інформації при синхронній організації процесів можна представити чергуванням комбінаційних ланцюгів КЦ та елементів пам'яті ЕП, що відображає роботу ЦП як при просторовому чергуванні КЦ та ЕП (рис. 29 а), так і при послідовному виконаннірізних операцій у різних тимчасових тактах одному й тому самому устаткуванні (рис. 29, б).
Працюючи пристрою КЦ перетворюють дані з тим чи іншим логічним залежностям, а ЕП приймають їх після закінчення перехідних процесів, т. е. встановлення на виходах КЦ істинних значень сигналів.
У КЦ шляхи від входів до різних виходів неідентичні. Для розрахунку системи синхронізації потрібно оцінити мінімальну та максимальну затримки сигналів у КЦ. Для оцінки мінімальної затримки слід враховувати мінімальні затримки елементів і знайти найкоротший шлях від входів до одного з виходів КЦ (короткий час його проходження сигналом). З урахуванням максимальних затримок елементів оцінюється найдовший шлях сигналу до виходу КЦ. Τᴀᴋᴎᴎᴎᴀᴈᴏᴍ, повинні бути визначені затримки та .
Тимчасова неідентичність шляхів до різних виходів КЦ ускладнює усунення критичних станів тимчасових сигналів. З цього погляду однаковість затримок для всіх виходів КЦ була б бажана.
Параметри тактових імпульсів
Період тактових імпульсів (синхроімпульсів) складається з тривалостей імпульсу та паузи (рис. 30). Тривалість імпульсу має бути достатньою для надійного запису інформації в тригер, цей параметр задається в паспортних даних тригера. Позначивши його через, можна записати умову.
Новий стан тригери приймуть після максимальної із затримок та їх перемикання. Параметри і часто близькі, але можуть і відрізнятися в два і більше разів. Різницю позначимо через . Прийнявши новий стан, тригери цим формують на входах КЦ нові значення сигналів. Після цього, до нового прийому даних повинен пройти час, достатній для проходження сигналу найдовшим шляхом в КЦ плюс час передустановки . З цієї причинидля тривалості паузи маємо співвідношення:
Мінімальний період тактових імпульсів дорівнює , які частота – .
На інтервалі від до перемикання тригерів вихідні сигнали КЦ не відповідають ні старому, ні новому значенню (дані нестабільні).
Для багатьох схем, особливо для БІС/НВІС, велику роль відіграють затримки сигналів у лініях зв'язку, які слід оцінювати з урахуванням топології міжз'єднань. З цієї причини на ранніх стадіях проектування розрахунок параметрів синхронізації має бути лише орієнтовним.
Певні вимоги пред'являються і до крутості фронтів синхроімпульсів. Вона не повинна знижуватися нижче за допустиму межу. Причини цього обмеження полягають у тому, що, по-перше, при надто пологих фронтах вихідні ланцюги елементів можуть надто довго залишатися під дією наскрізних струмів і, по-друге, те, що при малій крутості фронтів синхроімпульсів розкид порогів спрацьовування ЕП призводить до розкиду моментів їх перемикання. Особливо важливою є ця обставина для схем на елементах типу КМОП, котрим характерний підвищений розкид порогів спрацьовування.
Важливою ознакою системи синхронізації єфазність, яка визначається числом синхроімпульсів в одному періоді синхронізації (іншими словами, числом імпульсних послідовностей, що використовуються для синхронізації пристрою). Фазність залежить від типу тригерів, що застосовуються у пристрої, способу обміну між функціональними вузлами, вимог до швидкодії та апаратної складності пристрою.
Тактовими імпульсами зазвичай потрібно забезпечити велику кількість елементів пам'яті. Зазвичай тактові імпульси задаються одним генератором, а іноді використовуються тисячами і більше елементів пам'яті. Спроба застосувати потужний генератор із розведенням від ньогосинхросигналів за всіма елементами пам'яті для складних пристроїв виявляється, як правило, невдалою, в першу чергу через перешкоди, що викликаються сильноточними ланцюгами синхронізації.
Типове рішення - розмноження тактових імпульсів за допомогою пірамідальної схеми, що розгалужується (рис. 31), число ярусів якої залежить від числа тактованих елементів пам'яті і коефіцієнтів розгалуження генератора, що задає, і буферних каскадів БК.
У кожному БК фронти імпульсів затримуються, причому через розкид затримок неоднаково. Якщо затримки обох фронтів в БК ідентичні, то при проходженні БК тривалість імпульсу не зміниться, і сигнали різних виходів відрізнятимуться лише зміщенням у часі, причому максимальне зрушення між сигналами довільних виходів , деm– число ярусів в схемою; - Розкид затримок БК.
Тимчасові зрушення між синхроімпульсами, що подаються на різні ЕП, призводять до ефектів, рівноцінних скорочення одних інтервалів та подовження інших. Для компенсації скорочень інтервалів доводиться збільшувати розрахункове значення відповідного інтервалу на вході схеми розмноження, тобто на виході генератора. При цьому збільшується період синхроімпульсів та знижується швидкодія пристрою. У зв'язку з цим мінімізації зрушень приділяють велику увагу. Систему синхронізації іноді виконують на спеціальних елементах підвищеної швидкодії, застосовують обмеження обмінів даними між елементами, що синхронізуються віддаленими виходами схеми розмноження, ретельно підбирають довжини з'єднувальних провідників або вводять спеціальні затримки для вирівнювання синхроімпульсів.
Проблема розфазування тактових імпульсів у різних точках схеми для швидкодіючих пристроїв настільки гостра, що сучасні ВІС/НВІС часто постачаютьсяспеціальними схемами корекції тимчасового становища синхросигналів, причому одному кристалі бувають встановлені кілька таких схем, званих англійської термінології Phase Locked Loops (PLLs).
Такі схеми (рис. 32) містять фазовий компаратор ФК, генератор, керований напругою ГУН (VCO, Volt-Controlled Oscillator), з виходу якого беруться скориговані синхроімпульси, і ланцюг зворотного зв'язку, в який бувають включені не тільки елементи затримки, але і дільники частоти ДЧ. При цьому на PLL можуть покладатися дві функції - корекція фазових зрушень синхросигналів (Clock Skew), що здійснюється замкнутим контуром з елементом затримки у зворотному зв'язку (функція Clock Lock), та отримання подвоєної частоти синхросигналів при введенні в ланцюг зворотного зв'язку дільника частоти ДЧ Boost). Подвоєння внутрішньої частоти роботи пристроїв щодо зовнішньої частоти передачі часто використовується в мікропроцесорах і НВІС програмованої логіки високої складності.
Завдяки введенню схем PLL вдається знижувати розфазування тактових сигналів системи до дуже малих значень.
Розрізняють такі системи синхронізації:
Однофазна синхронізаціявикористовує мінімальну кількість синхропопослідовностей і забезпечує високу швидкодію. У той самий час її застосування супроводжується специфічними проблемами.
При однофазної синхронізації на всі елементи пам'яті подаються одні й самі синхроімпульси. Якби пристрій будувався на безінерційних елементах, то однофазна синхронізація була б неможлива, тому що в момент подачі синхроімпульсу, тобто команди на прийом даних, ці дані зникли б. Це сталося б тому, що при подачі синхроімпульсу один і той самий елемент пам'яті повинен одночасно приймати данівід попереднього і постачати даними наступний, що неможливо в безінерційному ланцюзі, якщо тільки елементи пам'яті не забезпечують за рахунок своєї структури присутності в них одночасно «старої» та «нової» інформації (це можливо в двоступінчастих тригерах).
Реальні елементи завжди інєраціонні, у зв'язку з цим принципова можливість однофазної синхронізації з'являється навіть для систем з одноступінчастими тригерами, але умови працездатності можуть виявитися важкоздійсненними.
На практиці однофазна синхронізація найчастіше застосовується в схемах з тригерами, що мають динамічне управління, або з двоступінчастими тригерами.
При використанні тригерів з динамічним управлінням (рис. 33) інформація приймається по фронту синхроімпульсу, а чутливість тригера до інформаційних сигналів зберігається лише в малому інтервалі часу на околиці фронту (протягом часу витримки). Тригери повинні втратити чутливість до змін інформаційних сигналів, перш ніж до їх входів найкоротшим шляхом може дійти така зміна. Якщо це не забезпечується, можливий збій. У цьому варіанті однофазної системи синхронізації потрібно дотримання певної умови працездатності:
де - Мінімальний час перемикання тригера.
У системах однофазної синхронізації з двоступінчастими тригерами високий рівень синхросигналу відкриває вхідні щаблі тригерів, залишаючи незмінними їх вихідні сигнали. При цьому дані з попередніх каскадів записуються у наступні вхідні щаблі. Такий запис можна вести протягом дуже важливого часу без будь-яких небезпек тимчасових змагань сигналів. Перехід синхросигналу на низький рівень переносить стан вхідних ступеніввихідні, змінює цим змінні на вході КЦ, які виробляють нові сигнали для тригерів наступного каскаду. Цей процес також можна вести досить довгий час без будь-яких побоювань, оскільки вхідні щаблі всіх тригерів закриті. Черговий перехід синхросигналу на високий рівень знову запише інформацію у вхідні щаблі тригерів і т. д. При правильному виборі параметрів синхросигналів тимчасові змагання сигналів у системі з двоступінчастими тригерами взагалі відсутні, працездатність її забезпечується при будь-яких малих мінімальних затримках.
Двофазна синхронізаціяхарактеризується використанням двох послідовностей синхроімпульсів (рис. 34, а), зрушених у часі один щодо одного. Інтервал між імпульсами обох послідовностей приділяється для роботи комбінаційних ланцюгів. Сусідні каскади отримують різноманітні серії синхроімпульсів (рис. 34, б).
При збудженні фази З2 дані з тригерів фази З1 через відповідні КЦ передаються на тригери фази З2. При збудженні фази З1 тригери цієї фази через КЦ приймають дані від тригерів фази З2. Почергове збудження фаз забезпечує передачу даних трактом їх обробки без будь-яких тимчасових змагань, оскільки видача даних проводиться тригерами, які не змінюють своїх станів у цій фазі, а прийом даних здійснюється після завершення перехідних процесів в КЦ.
Перевагою двофазної системи є можливість застосування простих одноступінчастих тригерів з керуванням рівнем. У той же час, наявність двох фаз синхроімпульсів ускладнює схему пристрою.
Багатофазна синхронізаціяхарактеризується використанням більш ніж двох серій синхроімпульсів і застосовується для збільшення швидкодії систем шляхом організаціїроботи їх частин із різною швидкістю. Це здійснюється розбиттям періоду основної частоти на частини та використанням в окремих блоках системи більш високочастотних синхросигналів. Для вузлів та пристроїв застосування багатофазної системи синхронізації не характерне.