引言

    現(xiàn)在電腦已經(jīng)越來越普及了，而看電腦的好壞的一個處理器是一個重要指標(biāo)。處理器性能的主要衡量指標(biāo)是時鐘頻率（單位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用來表示CPU的運算、處理數(shù)據(jù)的速度。）。絕大多數(shù)的集成電路 （IC） 設(shè)計都基于同步架構(gòu)，而同步架構(gòu)都采用一致的時鐘。這種架構(gòu)非常普及，許多人認(rèn)為它也是數(shù)字電路設(shè)計的途徑。然而，有一種截然不同的設(shè)計技術(shù)即將走上前臺：異步設(shè)計。相信有很多人對它還不甚了解。

　　硅技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r直接影響著這一新技術(shù)的發(fā)展。因為科技對硅的應(yīng)用越來越多了，硅技術(shù)也越來越受到重視，硅產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也在不斷縮小著。在近硅產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)縮小到90納米以內(nèi)了，所以降低功耗就已成為首要事務(wù)。異步設(shè)計具有功耗低、電路更可靠等優(yōu)點，被看作是滿足這一需要的途徑。所以異步設(shè)計將會得到很好的應(yīng)用。

　　雖然現(xiàn)在異步技術(shù)得到了很多應(yīng)用，不過在過去由于諸多原因異步技術(shù)曾經(jīng)備受冷落，其中重要的是缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的工具流。IC 設(shè)計團(tuán)隊面臨著巨大的壓力，包括快速地交付設(shè)備，使用編程語言和標(biāo)準(zhǔn)的事件驅(qū)動架構(gòu)（EDA）工具，幫助實施合成、定時和驗證等任務(wù)。如果異步設(shè)計可以使用此類工具，那么可以預(yù)計將會出現(xiàn)更多采用異步邏輯組件的設(shè)備。相信在將來技術(shù)的跟新完整，將會有更多的地方用到異步技術(shù)。

　　在過去，小型異步電路僅用作同步電路的補充。只是個后補技術(shù)。只是在近，新發(fā)布的商用設(shè)備才主要基于異步設(shè)計。當(dāng)然異步技術(shù)只是剛剛露頭，它的應(yīng)用主要是在此類設(shè)備的小眾市場。而在求超低功耗和穩(wěn)定電流的嵌入式感應(yīng)器還是沒有用到異步設(shè)計。相信在不久的將來異步技術(shù)的應(yīng)用會更加廣泛。

　　同步與異步

　　就目前而言，數(shù)字設(shè)計事實上采用的是同步設(shè)計技術(shù)。由于種種原因，這種方法得到了很好的改良，設(shè)計工具也不斷演化不斷更新。目前有一種標(biāo)準(zhǔn)流以語言為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)快速開發(fā)。同步設(shè)計還可以輕松地擴展設(shè)備性能。設(shè)計人員只須提高時鐘頻率，就能使設(shè)計變得更快。

　　同步法中要建立功能模塊，每個模塊由一個按時鐘信號控制的有限狀態(tài)機 FSM）驅(qū)動。觸發(fā)器被用于存儲當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)接收到時鐘信號時，觸發(fā)器將更新所存儲的值。

　　邏輯階段在DSP的設(shè)計過程中是必不可少。這些階段實施操作并將結(jié)果傳遞到下一階段。下圖表示單個階段的簡單模型。異步邏輯用于在兩個觸發(fā)器之間計算電路的新狀態(tài)。例如，該邏輯云可執(zhí)行加法或乘法。

　　對于異步DSP，邏輯階段被調(diào)整以消除時鐘。下圖顯示了這種 DSP 架構(gòu)的基本構(gòu)造。不是由時鐘控制門閂線路，而實際上是傳遞了一個完成信號給下一邏輯階段。根據(jù)邏輯云所執(zhí)行的操作，在恰當(dāng)時候可生成完成信號。

　　這種本地延遲控制可以保證電路的穩(wěn)定。由于控制電路時間的邏輯就在本地，它就可以相應(yīng)地改變電壓、處理速度和溫度。

　　異步設(shè)計有許多種不同的途徑，而前提是電路不受單一時鐘控制。多數(shù)情況下，異步邏輯被用于通過專門的電路設(shè)計來解決具體問題。但是，異步邏輯也可用作完整 DSP 的基礎(chǔ)，而不僅僅是設(shè)計中偶爾需要的一種工具。其好處包括降低功耗、可靠性提高以及電磁干擾 （EMI） 低。

　　異步設(shè)計的好處

　　異步設(shè)計的正確使用，可以實現(xiàn)更低的能耗、更好的 EMI 性能；由于消除了時鐘偏差，真正地簡化了設(shè)計。

　　功耗更低：與同步DSP相比，異步DSP重要的好處就是功耗更低。事實上，這種異步的能效數(shù)量級高于的同步DSP。

　　隨著科技的進(jìn)步硅產(chǎn)品尺寸也在不斷縮小，功耗問題越來越重要。由于線路長度為線性而面積為平方，單位面積硅功耗將隨著尺寸的縮減而增加。目前，通過降低電壓，數(shù)字設(shè)計人員已經(jīng)成功地解決了這個問題；但由于電壓閾值的限制，目前的半導(dǎo)體技術(shù)無法再有效地降低電壓。要想有效地利用新增加的功能，必須降低各個功能的功耗。

　　在CMOS技術(shù)中，門電路切換狀態(tài)時將消耗能量。在同步電路中，時鐘需要進(jìn)行多次切換，從而造成功耗。在設(shè)備或者設(shè)備的分區(qū)中分配時鐘需要時鐘緩沖器。時鐘緩沖器必須足夠大，以確保限度降低時鐘偏差。換言之，電路中的所有點必須同時接受時鐘變換。時鐘分配通常被稱為時鐘樹（Clock Tree），一般會消耗幾乎一半的總系統(tǒng)能量。樹底部的時鐘緩沖器具有相當(dāng)大的扇出量和很大的體積，因此功耗較高。

　　目前開發(fā)有多種技術(shù)消除切換邏輯的能耗，如時鐘門控。迄今為止，這些技術(shù)都無法實現(xiàn)異步設(shè)計的更低功耗。所以說異步技術(shù)擁有很好的前景。

　　實際上，異步電路僅在執(zhí)行有效操作時耗能。換言之，無需增加電路的情況下，異步電路的功耗將根據(jù)所提供的性能相應(yīng)地增加。這意味著，不需要更多調(diào)整，這種設(shè)備就擁有低待機電流，其功耗也將隨實際提供的性能而增加。

　　切換性能更出色：除了功耗更低外，含有異步邏輯的設(shè)備還將擁有極低的EMI。無論是IC設(shè)計人員還是終用戶，它帶來的好處數(shù)不勝數(shù)。

　　或當(dāng)?shù)貢r鐘是影響EMI的一個因素。由于同步電路中的時鐘需要同時隨處進(jìn)行切換，因此同步設(shè)備所發(fā)出的EMI在特定頻率時將擁有相當(dāng)明顯的峰值。

　　高速設(shè)備所發(fā)出的EMI噪音將進(jìn)入PCB的電源層。隨后該噪音將出現(xiàn)在外部I/O或布線中，在線纜中引起多余且通常超標(biāo)的輻射。道防線采用解耦電容，而更昂貴的屏蔽或共模扼流線圈將用作一道防線。

　　電源層上的EMI也使得電源的設(shè)計更加復(fù)雜。對于高速運轉(zhuǎn)的同步電路，電源必須經(jīng)過過濾或過量儲備，以符合電源層上所產(chǎn)生的電壓尖脈沖。

　　這些噪音和電源問題加在一起，增加了設(shè)計人員的設(shè)計難度，尤其在特定設(shè)計中使用大量高速 DSP時。通過消除對于同步時鐘的需要，異步邏輯設(shè)計可以減輕或解決這些問題。可以顯著地降低EMI，使PCB設(shè)計更簡單并提高系統(tǒng)的可靠性。異步電路電源波紋的缺失相當(dāng)引人注目，它表明可以獲得更好的切換性能。

　　下列圖顯示了同步和異步DSP電源噪音之間的典型差異。這些圖是示波器的屏幕截圖，測量了高性能DSP在電源層上產(chǎn)生的噪音。

　　在IC設(shè)計人員眼中，更出色的切換性能代表更可靠的電路。電路同時發(fā)生大規(guī)模切換時，將產(chǎn)生非常大的瞬時電流。在設(shè)備的電網(wǎng)上顯示為IR降。這意味著電網(wǎng)的某一區(qū)域在此時的電壓較低。這是意料之中的正常情況，通常都通過設(shè)計驗證來確保電網(wǎng)能承受預(yù)計的電壓下降。有時這也是一種限制因素，妨礙設(shè)計人員在邏輯的特定區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計。

　　消除時鐘偏差：采用異步設(shè)計還有很多原因。低于90納米的硅片是生產(chǎn)的趨勢。這可以從硅制造商大力投入以糾正一系列問題上得以證明。他們已著手開發(fā)干涉計量學(xué)（Interferometric Metrology）等技術(shù)，盡量使光罩的特征尺寸小于當(dāng)前的曝光波長。

　　由于這些變量會提高設(shè)備的偏差量，因此在過程中控制它們非常重要。

　　時鐘偏差被定義為時鐘信號到達(dá)電路中不同點的時間差。

　　由于相同時鐘上的所有邏輯必須有序地運行，因此時鐘偏差必須保持在水平，以確保電路正確運行。設(shè)備的時鐘頻率越高，可允許的偏差越小。

　　時鐘偏差的問題將隨著特征尺寸的減少更加嚴(yán)重。相比以前，特定晶片中將分為“慢速”芯片和“快速”芯片；由于密度大幅增加，單個芯片中的變量也將有所體現(xiàn)。這種狀況的性質(zhì)對于大型單片同步設(shè)備意義非常重大。

　　采用異步DSP可避免此類問題。DSP基于小型自計時電路。因此所有定時對于該邏輯塊相關(guān)的小區(qū)域都是本地的。

　　穩(wěn)定性更高：半導(dǎo)體主要受三大物理屬性影響：制作流程速度、電源電壓電平和溫度。如果這些特征發(fā)生任何變化，將造成晶體管運轉(zhuǎn)更快或更慢的情況。

　　同步電路必須在上述參數(shù)的和差狀態(tài)值下進(jìn)行靜態(tài)時序分析（static timing analysis），以確保設(shè)備工作正常。換而言之，同步電路有一個可以使電路停止工作的“切斷點”。

　　由于異步電路是自計時電路，因此它們在物理特征變化時只須加速或減速。因為控制自計時的邏輯與處理邏輯處于相同區(qū)域，所以溫度和電壓等環(huán)境變化都會對兩者造成影響。所以，異步電路針對抵抗動態(tài)電壓下降等瞬時變化的抗影響性能更好，還將根據(jù)長期溫度和電壓變化進(jìn)行自動調(diào)整。

　　通用異步DSP的橫空出世

    我們都知道DSP優(yōu)點有對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部參與影響?。蝗菀讓崿F(xiàn)集成；可以分時復(fù)用，共享處理器；方便調(diào)整處理器的系數(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)濾波；可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級聯(lián)、易于存儲等；可用于頻率非常低的信號。當(dāng)然也有著一些缺點：需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無源設(shè)備可靠。下面我們來說說異步DSP的出現(xiàn)吧。

    由于成功采用異步設(shè)計技術(shù)的各種設(shè)備不斷出現(xiàn)，異步設(shè)計正受到越來越多的關(guān)注。異步邏輯擁有包括低功耗和更穩(wěn)定的設(shè)計等優(yōu)點，這是眾所周知的。

　　直到近，異步電路僅僅在非常必要時才使用。由于學(xué)術(shù)界的偏見，它們通常被視為邊緣產(chǎn)品。現(xiàn)在，許多商用設(shè)備已經(jīng)開發(fā)了上述針對各類小眾市場的功能。

　　完全基于異步邏輯的通用DSP的出現(xiàn)表明，現(xiàn)有的工具、技術(shù)和知識創(chuàng)造的商用產(chǎn)品可應(yīng)用于更大的客戶群體。更吸引人的是，該設(shè)備可與任何現(xiàn)有DSP一樣進(jìn)行同樣的編程和操作。也就是說，這個解決方案在絲毫不影響可用性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了異步技術(shù)的所有優(yōu)點。正真做到了完美利用異步技術(shù)。

　　關(guān)于 Ocastic

　　Octasic Inc. 成立于 1998 年，總部在加拿大魁北克省蒙特利爾，是一家面向融合電信運營商、企業(yè)和終端通信設(shè)備市場提供完整的硅和軟件解決方案的提供商。在功能、密度、成本和功耗等方面，Octasic 質(zhì)量優(yōu)異的可擴展語音、視頻和數(shù)據(jù)解決方案為下一代制造商帶來了的靈活性和無與倫比的性能。如欲了解詳細(xì)信息，請訪問 www.octasic.com。

　　關(guān)于DSP

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強的實力。

　　DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是值得稱道的兩大特色。

    DSP技術(shù)主要應(yīng)用在語音處理（比如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、語音郵件、語音儲存等。）；圖像/圖形（二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸?shù)?；軍事(保密通信、雷達(dá)處理、聲吶處理等)；儀器儀表(頻譜分析、函數(shù)發(fā)生等)；自動控制(控制、深空作業(yè)等)；醫(yī)療(助聽、超聲設(shè)備、診斷工具等)；家用電器(數(shù)字音響、數(shù)字電視);生物醫(yī)學(xué)信號處理。