Asynchronous logic in real-time systems

Abstract

Es ist mittlerweile unbestritten, dass asynchrone Logik zahlreiche Vorteile im Vergleich zur herkömmlichen synchronen Logik hat.<br />Ein zentrales Problem jedoch ist die schwierige Vorhersagbarkeit der zeitlichen Abläufe eines asynchronen Designs. Aufgrund eines fehlenden (hochpräzisen) Schwingquarzes hängt die tatsächliche Ausführungsgeschwindigkeit maßgeblich von Faktoren wie Umbgebungstemperatur und Versorgungsspannung ab, wobei bereits minimale Fluktuationen messbare Auswirkungen auf die Geschwindigkeit haben können. Klarerweise werden asynchrone Schaltungen daher als gänzlich ungeeignet für den Einsatz in Echtzeitsystemen angesehen. Diesem Umstand soll mit dem Projekt ARTS (Asynchronous Logic in Real-Time Systems) entgegengewirkt werden, indem die genauen zeitlichen Charakteristika von ungetakteten Digitalschaltungen auf ihre Tauglichkeit für Echtzeitsysteme (und zwar speziell für das zeitgesteuerte Protokoll TTP) untersucht werden. Zu diesem Zwecke wird in dieser Arbeit ein geeignetes Zeitmodel entwickelt, welches neben deterministischen auch probabilistische Signallaufzeitvariationen modellieren kann. Darauf aufbauend wird ein sich automatisch auf den TTP Datenstrom kalibrierendes System entwickelt, welches eine geeignete (asynchrone) Zeitbasis für einen asynchronen TTP-Kontroller zur Verfügung stellt. Wie sich heraus stellt, sind unter allen Designalternativen jene mit linear rückgekoppelten Schieberegistern (LFSR) am besten für unsere Anforderungen geeignet. Um die Funktionsfähigkeit und Robustheit der vorgestellten Lösung zu demonstrieren, unterziehen wir das Design verschieden empirischen Tests, wie zum Beispiel Temperatur- und Spannungstests, und untersuchen die jeweiligen Auswirkungen auf Jitter und Frequenzstabilität.<br />In Verbindung mit den theoretischen Untersuchungen können einige sehr interessante Erkenntnisse im Zusammenhang mit zeitlicher Vorhersagbarkeit von asynchronen Schaltungen gemacht werden: Trotz der speziellen Eigenschaften des verwendeten Design-Stiles gibt es erheblichen datenabhängigen Signaljitter. Weiters wurde festgestellt, dass Herstellungsvariationen gravierenden Ein fluss auf die Geschwindigkeit und Jittercharakteristika haben.<br />Nichtsdestotrotz wirken sich diese Ein flüsse nicht negativ auf die automatische Kalibrierung aus. Untersuchungen am fertigen und funktionierenden asynchronen TTP-Kontroller zeigen deutlich, dass es grundsätzlich möglich ist, asynchrone Logik für Echtzeitanwendungen - mit gewissen Einschränkungen - einzusetzen.