ASCARTS - design of an asynchronous processor using a high-level specification language

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung des asynchronen Prozessors ASCARTS basierend auf dem Befehlssatz des synchronen Prozessors SCARTS. Für die Umsetzung des Prozessordesigns wird das Open-Source Framework Balsa verwendet, welches die Modellierung asynchroner Schaltungen auf einer abstrakten Ebene durch Verbergen der eigentlichen Handshake-Implementierung erlaubt. Die Benutzerfreundlichkeit der Balsa-Sprache sowie der zugehörigen Werkzeugkette für einen komplexen Schaltungsaufbau ist zu bewerten. Ist das Balsa-Framework ausgereift genug um einen ganzen asynchronen Prozessor zu entwerfen und zu synthetisieren? Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, die Unterschiede in der Prozessorarchitektur von synchronen und asynchronen Prozessoren mit identischen ISAs zu identifizieren. Daten- und Steuerkonflikte, die durch die asynchrone Pipeline-Architektur verursacht werden, erfordern innovative Lösungen. Datenkonflikte werden mithilfe eines asynchronen Weiterleitungsmechanismus, basierend auf gespeicherten Informationen über vorhergehende Befehle, vermieden. Um Steuerkonflikte zu lösen wird ein Farbalgorithmus, ähnlich zu den in AMULET1 und SAMIPS verwendeten, implementiert. Um die Prozessorschnittstelle zu herkömmlichen synchronen Speichern zu verbinden, werden die Handshake-Signale in synchrone Signale transformiert. Das Balsa-Design wird mit der quasi delay-insensitive four-phase dual-rail Handshake-Implementierung synthetisiert. Die synthetisierte Netzliste wird auf die UMC 90 nm Technologie abgebildet, auf der Timing-Simulationen durchgeführt werden. Da Synchronisation über das Handshake-Protokoll erreicht wird, passt sich das Design an die tatsächlich vorherrschenden Betriebsbedingungen an. Das führt zu variablen Average-Case-Ausführungszeiten der einzelnen Befehle. Daher ist die Echtzeitfähigkeit ohne genaue Worst-Case-Analyse nicht klar ersichtlich. Die Timing-Simulationsergebnisse von ASCARTS mit Average-Case-Corner Synthese werden mit den Ergebnissen von SCARTS mit Worst-Case-Corner Synthese verglichen. Ein zentrales Ergebnis der vorgestellten ASCARTS Implementierung ist die Prozessorbeschreibung selbst, geschrieben in einer High-Level-HDL, die unabhängig von der tatsächlichen Handshake-Implementierung ist. Daher könnte die Balsa-Beschreibung von ASCARTS nützlich für zukünftige Forschungsarbeiten an unterschiedlichen asynchronen Implementierungsstilen sein.

The purpose of this thesis is the development of the asynchronous processor ASCARTS based on the instruction set of the synchronous processor SCARTS. For the realization of the processor design the open-source framework Balsa, which allows modeling asynchronous circuits at an abstract level by hiding the actual handshake implementation, is used. The usability of the Balsa language as well as the associated toolchain for a complex circuit design is to be evaluated. Is the Balsa framework sophisticated enough to design and synthesize an entire asynchronous processor? A further objective of this thesis is to identify the differences in the processor architecture between synchronous and asynchronous processors with identical ISAs. Data and control hazards caused by the asynchronous pipeline architecture require innovative solutions. Data hazards are avoided by an asynchronous forwarding mechanism based on information stored about previous instructions. To resolve control hazards, a coloring algorithm, similar to the one used for AMULET1 and SAMIPS, is implemented. To connect the processor interface to conventional synchronous memory, the handshake signals are transformed to synchronous signals. The Balsa design is synthesized using the quasi delay-insensitive four-phase dual-rail handshake implementation. The synthesized netlist is mapped to UMC-s 90 nm technology on which timing simulations are conducted. As synchronization is achieved via the handshake protocol the design adapts to the actual prevailing operating conditions. This results in variable, average-case execution time of individual instructions. Consequently, real-time capability is not evident without an accurate worst-case analysis. The timing simulation results of ASCARTS with Average-Case-Corner synthesis are compared to the results of SCARTS with Worst-Case-Corner synthesis. A key outcome of the presented ASCARTS implementation is the processor description itself, written in a high-level HDL, which is independent of the actual handshake implementation. Therefore, the Balsa description of ASCARTS might be useful for future research of different asynchronous implementation styles.