Efficient interfacing between timing domains

Abstract

Die Kommunikation zwischen Elementen und deren Setup/Hold-Anforderungen (Speicherelemente) können innerhalb einer geschlossenen Timing Domain (Bereich mit einheitlichem Zeitverständnis, z.B.: Systemtakt) sicher bewerkstelligt und getroffen werden. Oft ist es aber notwendig Signale zwischen verschiedenen Timing Domains auszutauschen, wie im Falle eines GALS-Systems (Globally Asynchronous Locally Synchronous) bei dem die verschiedenen Systemkomponenten jeweils unterschiedliche Timing Domains besitzen. Diese Übertragungen von Signalen können zu Metastabilitätsproblemen an den Schnittstellen führen. Um diesen Metastabilitätsproblemen entgegenzuwirken müssen die Signale an der Empfängerseite in die dort herrschende Timing Domain synchronisiert werden. Diese Aufgabe bewerkstelligen Synchronizer. Als erster Schritt soll ein Überblick über bestehende Interfacing-Lösungen erstellt werden um diese durch analytische Modelle vergleichen zu können, dazu werden verschiedene Vergleichskriterien wie MTBF (Mean Time Between Failures), Durchsatz und Verzögerung herangezogen. Dabei sollen die Interface-Typen von synchronen Systemen (z.B. mesochronous, plesiochronous, heterochronous) und asynchronen Systemen (verschiedene Handshake-Protokolle) betrachtet werden. Nach dem Vergleich der gesammelten Lösungen kann eine Identifizierung geeigneter Lösungen für die unterschiedlichen Kategorien vorgenommen werden und so ein Nachschlagewerk verfasst werden.

When interacting within a closed timing domain the timing requirements (esp. setup/hold requirements) of all stateful elements (memory) in different systems or components can be safely met. Examples are a globally synchronous clock domain or an asynchronous handshake domain. Often it is, however, necessary to exchange signals between two (or more) such timing domains, as within a GALS system (globally asynchronous locally synchronous) each component/subsystem has its own timing domain. This exchange of data inevitably leads to metastability problems at the interfaces. To prevent or handle the problems with metastability of stateful elements at the interfaces of a system synchronizers are needed. In this work a survey of the different existing interfacing solutions of synchronous and asynchronous systems, including all levels of synchrony (mesochronous, plesiochronous, heterochronous, rational) and the different handshake-protocols (2-phase, 4-phase) of asynchronous system design shall be created. In the survey the interfacing solutions shall be compared according to criteria such as MTBF (Mean Time Between Failures), throughput, latency, assumptions on their functionality. From this a suitable and efficient solution shall be chosen for each possible system combination between synchronous and asynchronous systems, to further make a general reference book about interfacing solutions.