davis nowick intro tr

7/29/2019 Davis Nowick Intro Tr

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A n I n t r o d u c t i o n t o

A s y n c h r o n o u s C i r c u i t D e s i g n

A l D a v i s

1

S t e v e n M . N o w i c k

2

U U C S - 9 7 - 0 1 3

1

C o m p u t e r S c i e n c e

2

C o m p u t e r S c i e n c e

U n i v e r s i t y o f U t a h C o l u m b i a U n i v e r s i t y

S a l t L a k e C i t y , U T 8 4 1 1 2 N e w Y o r k , N Y 1 0 0 2 7

S e p t e m b e r 1 9 , 1 9 9 7

A b s t r a c t

T h e p u r p o s e o f t h i s m o n o g r a p h i s t o p r o v i d e b o t h a n i n t r o d u c t i o n t o e l d o f a s y n c h r o n o u s d i g i t a l

c i r c u i t d e s i g n a n d a n o v e r v i e w o f t h e p r a c t i c a l s t a t e o f t h e a r t i n 1 9 9 7 . I n t h e e a r l y d a y s o f d i g i t a l

c i r c u i t d e s i g n , l i t t l e d i s t i n c t i o n w a s m a d e b e t w e e n s y n c h r o n o u s a n d a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s . H o w e v e r ,

s i n c e t h e 1 9 6 0 ' s , t h e m a i n s t r e a m o f t h e d i g i t a l c i r c u i t d e s i g n e n t e r p r i s e h a s b e e n p r i m a r i l y c o n c e r n e d

w i t h s y n c h r o n o u s c i r c u i t s . S y n c h r o n o u s c i r c u i t s m a y b e s i m p l y d e n e d a s c i r c u i t s w h i c h a r e s e q u e n c e d

b y o n e o r m o r e g l o b a l l y d i s t r i b u t e d p e r i o d i c t i m i n g s i g n a l s c a l l e d c l o c k s . A s y n c h r o n o u s c i r c u i t s a r e a n

i n h e r e n t l y l a r g e r c l a s s o f c i r c u i t s , s i n c e t h e r e a r e m a y s e q u e n c i n g o p t i o n s o t h e r t h a n g l o b a l p e r i o d i c

c l o c k s i g n a l s . A s y n c h r o n o u s c i r c u i t s h a v e b e e n s t u d i e d i n o n e f o r m o r a n o t h e r s i n c e t h e e a r l y 1 9 5 0 ' s 9 2 ]

w h e n t h e f o c u s w a s p r i m a r i l y o n m e c h a n i c a l r e l a y c i r c u i t s . A n u m b e r o f t h e o r e t i c a l i s s u e s w e r e s t u d i e d

i n d e t a i l b y M u l l e r a n d B a r t k y a s e a r l y a s 1 9 5 6 1 3 8 ] . S i n c e t h e n , t h e e l d o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s

h a s g o n e t h r o u g h a n u m b e r o f h i g h - i n t e r e s t c y c l e s . I n r e c e n t y e a r s t h e r e h a s b e e n a n u n p r e c e d e n t e d

l e v e l o f i n t e r e s t i n b o t h a c a d e m i c a n d i n d u s t r i a l s e t t i n g s 8 1 ] . M u c h o f t h i s r e c e n t r e s e a r c h e o r t h a s

f o c u s e d m o r e o n t h e o r y t h a n p r a c t i c e . N o n e t h e l e s s , t h e a d v a n c e o f p r a c t i c a l a s y n c h r o n o u s c i r c u i t d e s i g n

t e c h n i q u e s a l s o h a s a n u n u s u a l l e v e l o f i n t e r e s t . T h e f o c u s o f t h i s d o c u m e n t i s o n t h e a s p e c t s o f t h e

a s y n c h r o n o u s c i r c u i t d e s i g n d i s c i p l i n e w h i c h a r e e i t h e r l i k e l y , o r h a v e b e e n a n i n u e n c e o n t h e p r a c t i c a l

d e s i g n o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s . T h e a t t e m p t i s t o p r o v i d e a n i n t r o d u c t i o n t o t h e b a s i c c o n c e p t s w h i c h

p r o v i d e t h e f o u n d a t i o n f o r t o d a y ' s d e s i g n t e c h n i q u e s a n d t o s u m m a r i z e t h e c u r r e n t p r a c t i c e . T h e t e x t

c o n t a i n s a n e x t e n s i v e s e t o f b i b l i o g r a p h i c a l p o i n t e r s t o g u i d e t h e m o r e s e r i o u s s t u d e n t o f t h e e l d .

1


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1 I n t r o d u c t i o n

T h e i n t e n t o f t h i s r e p o r t i s t o p r o v i d e a n i n t r o d u c t o r y y e t c o m p r e h e n s i v e o v e r v i e w o f t h e e l d o f a s y n -

c h r o n o u s c i r c u i t d e s i g n . T h e f o c u s o n d e s i g n i m p l i e s t h a t a n u m b e r o f t h e o r e t i c a l a s p e c t s o f t h e d i s c i p l i n e

w h i c h d o n o t d i r e c t l y a e c t t h e p r a c t i c a l d e s i g n p r o c e s s w i l l b e i g n o r e d . G i v e n t h e s i z e o f t h e e l d a n d

t h e n u m b e r o f d e s i g n m e t h o d s , i t i s i m p o s s i b l e t o c o v e r a l l o f t h e v a r i o u s d e s i g n m e t h o d s i n d e p t h . O n

t h e o t h e r h a n d , l i t t l e c o u l d b e l e a r n e d i f a l l o f t h e m e t h o d s w e r e j u s t m e n t i o n e d s u p e r c i a l l y . T h e r e s u l t

i s t h a t t h e r e w i l l b e e n o u g h d e p t h i n t h i s r e p o r t t o i n t r o d u c e t h e b a s i c c o n c e p t s a n d t o h i g h l i g h t a

f e w o f t h e d e s i g n s t y l e s . O t h e r d e s i g n m e t h o d o l o g i e s w i l l b e c o v e r e d m o r e c u r s o r i l y , a t t h e c o n c e p t u a l

l e v e l . D i e r e n c e s a n d s i m i l a r i t i e s b e t w e e n m e t h o d s w i l l b e d i s c u s s e d . T h e m a n y c i t a t i o n s a n d e x t e n s i v e

b i b l i o g r a p h y p r o v i d e a m p l e d i r e c t i o n f o r a n i n - d e p t h s t u d y o f a n y p a r t i c u l a r m e t h o d .

2 M o t i v a t i o n a n d B a s i c C o n c e p t s

C i r c u i t d e s i g n s t y l e s c a n b e c l a s s i e d i n t o t w o m a j o r c a t e g o r i e s , n a m e l y s y n c h r o n o u s a n d a s y n c h r o n o u s .

I t i s w o r t h w h i l e t o n o t e t h a t n e i t h e r i s i n d e p e n d e n t o f t h e o t h e r a n d t h a t t h e r e a r e m a n y d e s i g n s t h a t

h a v e b e e n p r o d u c e d u s i n g a h y b r i d d e s i g n s t y l e w h i c h m i x e s a s p e c t s o f b o t h c a t e g o r i e s . S y n c h r o n o u s

c i r c u i t s m a y b e s i m p l y d e n e d a s c i r c u i t s w h i c h a r e s e q u e n c e d b y o n e o r m o r e g l o b a l l y d i s t r i b u t e d

p e r i o d i c t i m i n g s i g n a l s c a l l e d c l o c k s . A s y n c h r o n o u s c i r c u i t s a r e a n i n h e r e n t l y l a r g e r c l a s s o f c i r c u i t s ,

s i n c e t h e r e a r e m a y s e q u e n c i n g o p t i o n s o t h e r t h a n g l o b a l p e r i o d i c c l o c k s i g n a l s . I t m a y b e d i c u l t t o

u n d e r s t a n d t h e m o t i v a t i o n f o r a s y n c h r o n o u s c i r c u i t t e c h n i q u e s w h e n t h e b u l k o f c o m m e r c i a l p r a c t i c e

a n d c o n s i d e r a b l e e x p e r i e n c e , a r t i f a c t , a n d m o m e n t u m e x i s t s f o r t h e s y n c h r o n o u s c i r c u i t d e s i g n s t y l e . F o r

s o m e , t h e m o t i v a t i o n t o p u r s u e t h e s t u d y o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s i s b a s e d o n t h e s i m p l e f a c t t h a t t h e y

a r e d i e r e n t . O t h e r s n d t h a t a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s h a v e a p a r t i c u l a r m o d u l a r e l e g a n c e t h a t i s a m e n a b l e

t o t h e o r e t i c a l a n a l y s i s . H o w e v e r , f o r t h o s e i n t e r e s t e d i n t h e p r a c t i c a l a s p e c t s o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t

d e s i g n , t h e m o t i v a t i o n o f t e n c o m e s f r o m s o m e c o n c e r n w i t h t h e b a s i c n a t u r e o f s y n c h r o n o u s c i r c u i t s .

O f c o m m o n c o n c e r n a r e t h e c o s t i s s u e s a s s o c i a t e d w i t h t h e g l o b a l , p e r i o d i c , a n d c o m m o n c l o c k

t h a t i s t h e t e m p o r a l b a s i s f o r s y n c h r o n o u s c i r c u i t s . T h e x e d c l o c k p e r i o d o f s y n c h r o n o u s c i r c u i t s i s

c h o s e n a s a r e s u l t o f w o r s t - c a s e t i m i n g a n a l y s i s . I t i s n o t a d a p t i v e a n d t h e r e f o r e d o e s n o t t a k e a d v a n t a g e

o f a v e r a g e - o r e v e n b e s t - c a s e c o m p u t a t i o n a l s i t u a t i o n s . A s y n c h r o n o u s c i r c u i t p r o p o n e n t s v i e w t h i s a s

a n o p p o r t u n i t y t o a c h i e v e i n c r e a s e d p e r f o r m a n c e s i n c e a s y n c h r o n o u s m e t h o d s a r e i n h e r e n t l y a d a p t i v e .

A r i t h m e t i c c i r c u i t s p r o v i d e a g o o d e x a m p l e . A r i t h m e t i c c i r c u i t p e r f o r m a n c e i s t y p i c a l l y d o m i n a t e d b y

t h e p r o p a g a t i o n d e l a y o f c a r r y o r b o r r o w s i g n a l s . T h e w o r s t - c a s e p r o p a g a t i o n s i t u a t i o n r a r e l y o c c u r s ,

y e t s y n c h r o n o u s a r i t h m e t i c c i r c u i t s m u s t b e c l o c k e d i n a m a n n e r t h a t a c c o m m o d a t e s t h i s r a r e w o r s t - c a s e

c o n d i t i o n . S o m e a s y n c h r o n o u s c i r c u i t d e s i g n e r s h a v e m a d e t h e m i s t a k e o f g e n e r a l i z i n g t h i s o b s e r v a t i o n

i n t o a v i e w t h a t t h e i n h e r e n t a d a p t i v i t y o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s i m p l i e s t h a t t h e y a r e c a p a b l e o f a c h i e v i n g

h i g h e r p e r f o r m a n c e i n g e n e r a l . H o w e v e r , t h i s i s n o t n e c e s s a r i l y t h e c a s e .

A l l a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s h a v e a d d i t i o n a l o p e r a t i o n a l c o n s t r a i n t s w h e n c o m p a r e d t o t h e i r s y n -

c h r o n o u s c o u n t e r p a r t s . I d e a l l y , d i g i t a l s i g n a l s r e p r e s e n t b i n a r y v a l u e s a n d t h e r e f o r e m o d e l 2 d i s t i n c t

v o l t a g e l e v e l s . F o r c o n v e n i e n c e l e t t h e m b e c a l l e d 0 a n d 1 . T h e s e s i g n a l s t h e n h a v e t h e p o s s i b i l i t y o f

e i t h e r r e m a i n i n g c o n s t a n t o r c h a n g i n g a s a r e s u l t o f a c i r c u i t a c t i o n o r e v e n t . W h e n s i g n a l s c h a n g e ,

2


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t h e c h a n g e m a y n o t b e a m o n o t o n i c t r a n s i t i o n b e t w e e n o n e v o l t a g e l e v e l a n d t h e o t h e r . S u c h a n o n -

m o n o t o n i c c h a n g e i s o f t e n c a l l e d a g l i t c h . A c i r c u i t p r o d u c i n g a n o u t p u t w h i c h m a y g l i t c h i s s a i d t o

c o n t a i n a h a z a r d . T h e r e a r e m a n y t y p e s o f h a z a r d s w h i c h a r e d i s c u s s e d i n S e c t i o n 4 . 3 . A g l i t c h o n a

c l o c k s i g n a l o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t w i l l t y p i c a l l y c a u s e t h e c i r c u i t t o m a l f u n c t i o n . G l i t c h e s o n n o n -

c l o c k s i g n a l s d o n o t c a u s e a m a l f u n c t i o n a s l o n g a s t h e s i g n a l i s s t a b l e a t i t s n e w v a l u e f o r a c e r t a i n t i m e

b e f o r e a n d a f t e r a c l o c k s i g n a l t r a n s i t i o n . T h i s g l i t c h i s s u e i s b o t h t h e a d v a n t a g e a n d t h e d i s a d v a n t a g e

o f s y n c h r o n o u s c i r c u i t s . I t i m p l i e s t h a t n o n - c l o c k s i g n a l s n e e d n o t b e d e s i g n e d t o b e h a z a r d f r e e w h i c h

o f t e n t i m e s r e s u l t s i n s m a l l e r c i r c u i t s . H o w e v e r t h e c l o c k m u s t b e c a r e f u l l y c o n t r o l l e d a n d s i n c e i t m u s t

b e g l o b a l l y d i s t r i b u t e d , t h i s o f t e n p r o v e s t o b e d i c u l t . A l l f o r m s o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s a r e c o n c e r n e d

w i t h p r o v i d i n g h a z a r d - o r g l i t c h - f r e e o u t p u t s u n d e r s o m e t i m i n g m o d e l .

I n o r d e r t o a c h i e v e h a z a r d - f r e e b e h a v i o r , a n a s y n c h r o n o u s c i r c u i t w i l l o f t e n c o n t a i n m o r e g a t e s

t h a n a f u n c t i o n a l l y e q u i v a l e n t s y n c h r o n o u s c i r c u i t . T h e r e f o r e i n t e r m s o f t h e n u m b e r o f b a s i c c o m p o -

n e n t s , a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s a r e o f t e n s o m e w h a t l a r g e r t h a n s y n c h r o n o u s c i r c u i t s . M o r e g a t e s i m p l i e s

m o r e w i r e s , a n d t h i s m a y r e s u l t i n s l o w e r r a t h e r t h a n f a s t e r c i r c u i t l a t e n c i e s . F u r t h e r m o r e i n o r d e r t o

a c h i e v e t h e i r i n h e r e n t l y a d a p t i v e n a t u r e , a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s m u s t e x p l i c i t l y g e n e r a t e s e q u e n c e c o n t r o l

s i g n a l s s u c h a s a r e q u e s t a n d a n a c k n o w l e d g e s i g n a l . T h e r e q u e s t s i g n a l c a n b e u s e d t o s i g n a l i n i t i a -

t i o n o f s o m e a c t i o n a n d t h e c o r r e s p o n d i n g a c k n o w l e d g e s i g n a l i n d i c a t e s c o m p l e t i o n o f t h a t a c t i o n . I n

s y n c h r o n o u s c i r c u i t s m u c h o f t h i s t y p e o f c o n t r o l s i g n a l i n g i s i m p l i c i t i n t h e c o m m o n c l o c k s i g n a l . T h e

g e n e r a t i o n o f t h e s e e x p l i c i t c o n t r o l s i g n a l s f u r t h e r e x a c e r b a t e s t h e c o m p l e x i t y o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s ,

a n d m a y l e a d t o a f u r t h e r p e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n .

T h e a d a p t i v e p o t e n t i a l r e m a i n s w h e r e t h e w o r s t - c a s e s i t u a t i o n i s r a r e a n d w h e n t h e d i e r e n c e

b e t w e e n t h e w o r s t - c a s e a n d a v e r a g e - c a s e l a t e n c i e s i s s i g n i c a n t . H o w e v e r , s y n c h r o n o u s c i r c u i t d e s i g n e r s

a r e a l s o w e l l a w a r e o f t h i s s i t u a t i o n a n d t a k e c o n s i d e r a b l e c a r e t o c r e a t e a c l o c k m o d e l a n d c i r c u i t

s t r u c t u r e t h a t c a n t a k e a d v a n t a g e o f t h e s e d i e r e n c e s . T h e m o s t n o t a b l e e x a m p l e o f t h i s t a c t i c i s i n

t h e n e l y - g r a i n e d p i p e l i n e s t r u c t u r e s o f m o d e r n o a t i n g p o i n t u n i t s . Y e t , f o r v e r y l a r g e c i r c u i t s , s u c h

a s m i c r o p r o c e s s o r s , b a l a n c i n g a l l t h e t i m i n g c o n s t r a i n t s o f a l a r g e c o m p u t a t i o n a l s p a c e t o m i n i m i z e t h e

d i e r e n c e b e t w e e n t h e w o r s t a n d a v e r a g e c a s e t i m i n g m o d e l s i s a d i c u l t t a s k . T h e w o r k b y M a r k D e a n

o n t h e S T R i P p r o c e s s o r 5 4 ] p r o v i d e s a n i n t e r e s t i n g e x a m p l e . D e a n s h o w e d t h a t e v e n a w e l l - b a l a n c e d

a n d w e l l - d e s i g n e d p r o c e s s o r s u c h a s t h e M I P S - X C P U c o u l d b e s p e d u p i f t h e i n s t r u c t i o n s e t w e r e s p l i t

i n t o t h r e e c l a s s e s , a n d t h e c l o c k p e r i o d a d j u s t e d a p p r o p r i a t e l y t o m a t c h t h e t e m p o r a l n e e d s o f e a c h c l a s s .

D e a n a l s o d e m o n s t r a t e d t h a t a n e v e n g r e a t e r p e r f o r m a n c e e n h a n c e m e n t c o u l d b e a c h i e v e d d u e

t o t h e t i g h t e r m a r g i n s w h i c h a r e p o s s i b l e w i t h a d a p t i v e c l o c k i n g . S y n c h r o n o u s s y s t e m s u s u a l l y r e l y o n

a n e x t e r n a l l y - g e n e r a t e d c l o c k s i g n a l w h i c h i s d i s t r i b u t e d a s t h e c o m m o n t i m i n g r e f e r e n c e t o a l l o f t h e

s y s t e m c o m p o n e n t s . T h e s p e e d a t w h i c h i n t e g r a t e d c i r c u i t s o p e r a t e v a r i e s w i t h t h e c i r c u i t f a b r i c a t i o n

p r o c e s s , a n d u c t u a t i o n s i n o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e a n d s u p p l y v o l t a g e . I n o r d e r t o a c h i e v e a r e a s o n a b l e

s h i e l d a g a i n s t t h e s e v a r i a b l e s , t h e c l o c k p e r i o d i s e x t e n d e d b y a c e r t a i n m a r g i n . I n c u r r e n t p r a c t i c e ,

t h e s e m a r g i n s a r e o f t e n 1 0 0 % o r m o r e i n h i g h - s p e e d s y s t e m s . A d a p t i v e c l o c k i n g c a n n o t b e g e n e r a t e d

e x t e r n a l l y , a n d t h e r e f o r e m u s t b e p r o v i d e d i n t e r n a l l y t o e a c h d e v i c e . T h e f a c t t h a t t h e c l o c k g e n e r a t o r

i s a e c t e d b y t h e s a m e p r o c e s s , t e m p e r a t u r e , a n d s u p p l y v a r i a t i o n s a s t h e r e s t o f t h e c h i p p e r m i t s t h e

s a f e t y m a r g i n t o b e r e d u c e d s i g n i c a n t l y .

C l o c k d i s t r i b u t i o n i s b e c o m i n g a n i n c r e a s i n g l y c o s t l y c o m p o n e n t o f l a r g e m o d e r n d e s i g n s . T o d a y ' s

3


4/58

m i c r o p r o c e s s o r s c o n t a i n o v e r t e n m i l l i o n t r a n s i s t o r s a n d t h e i r c l o c k r a t e s a r e a r o u n d 2 0 0 t o 4 0 0 M H z .

T h e c l o c k p e r i o d i s d e t e r m i n e d b y a d d i n g t h e w o r s t c a s e p r o p a g a t i o n d e l a y , t h e m a r g i n a n d t h e m a x i m u m

c l o c k s k e w . C l o c k s k e w i s s i m p l y t h e m a x i m u m d i e r e n c e i n t h e c l o c k a r r i v a l a s s e e n b y a l l c l o c k e d p o i n t s

i n t h e c i r c u i t . T h e l a t e n c y o f t h e c l o c k p u l s e t o t h e r e c e p t i o n p o i n t s i s n o t a c o n c e r n . W i t h t o d a y ' s l a r g e

V L S I c i r c u i t s e x c e e d i n g 2 0 m m p e r s i d e , s e v e r a l n a n o s e c o n d s o f s k e w i s e a s i l y p o s s i b l e . H o w e v e r w i t h a

5 n a n o s e c o n d c l o c k p e r i o d , s e v e r a l n a n o s e c o n d s o f s k e w i s a d i s a s t e r . C l o c k d i s t r i b u t i o n a n d d e - s k e w i n g

m e t h o d s a r e a b u n d a n t b u t t h e y s h a r e t h e c o m m o n c h a r a c t e r i s t i c o f b e i n g e x p e n s i v e i n e i t h e r p o w e r o r

a r e a a n d t h e y b e c o m e m o r e s o a s c l o c k s p e e d s i n c r e a s e . A c o m m o n m e t h o d i s t o d i s t r i b u t e t h e c l o c k v i a

a b a l a n c e d H - t r e e c o n g u r a t i o n 9 ] w i t h a m p l i f y i n g b u e r s p l a c e d a t t h e f a n o u t p o i n t s . T h e p r o b l e m

w i t h t h i s a p p r o a c h i s t h a t a s m o r e b u e r s a r e a d d e d t o a c l o c k p a t h , l a r g e r s k e w r e s u l t s . T h e d e s i g n e r s o f

t h e D E C A l p h a C P U 1 9 3 ] t o o k t h e o p p o s i t e a p p r o a c h . T h e A l p h a c o n t a i n s 1 . 6 8 m i l l i o n t r a n s i s t o r s a n d

i s f a b r i c a t e d i n a . 7 5 m i c r o n , 3 . 3 v o l t C M O S p r o c e s s . E v e n w i t h t h r e e l a y e r s o f m e t a l , t h e c h i p i s 1 6 . 8

m m b y 1 3 . 9 m m . I n o r d e r t o k e e p c l o c k s k e w t o w i t h i n 3 0 0 p i c o s e c o n d s , t h e A l p h a ' s d e s i g n e r s l o c a l i z e d

t h e c l o c k b u e r i n g t o m i n i m i z e p r o c e s s i n d u c e d v a r i a t i o n s a n d t h e r e f o r e t h e s k e w i n d u c e d b y t h e b u e r s .

D e t a i l s o f t h e m e t h o d c a n b e f o u n d i n 6 0 ] b u t t h e r e s u l t i s a c l o c k d r i v e r c i r c u i t t h a t o c c u p i e s a b o u t

1 0 % o f t h e c h i p a r e a , a n d c o n s u m e s o v e r 4 0 % o f t h e 3 0 w a t t s o f p o w e r d i s s i p a t e d b y t h e c h i p . 1 9 m m

2

o f a r e a a n d o v e r 1 2 w a t t s o f p o w e r i s a v e r y h i g h p r i c e t o p a y f o r k e e p i n g t h e s k e w u n d e r c o n t r o l . P o w e r

c o n c e r n s i n p a r t i c u l a r w i l l l i m i t t h e u s e o f t h i s t e c h n i q u e a s c i r c u i t s p e e d s a n d t r a n s i s t o r c o u n t s i n c r e a s e .

A n o t h e r c o m m o n m o d e r n s y n c h r o n o u s t e c h n i q u e f o r c o n t r o l l i n g c l o c k s k e w i s t o u s e p h a s e d l o c k e d

l o o p s ( P L L ' s ) . P L L ' s a r e e s s e n t i a l l y a n a n a l o g c i r c u i t t h a t c a n b e u s e d t o d y n a m i c a l l y a d j u s t t h e p h a s e o f

a s i g n a l t o m a t c h i t w i t h t h e p h a s e o f a n o t h e r s i g n a l . F o r c l o c k d e s k e w i n g p u r p o s e s t h e l o c a l c l o c k i s k e p t

i n p h a s e w i t h a n e x t e r n a l r e f e r e n c e c l o c k . T h e r e a r e m a n y P L L d e s i g n v a r i a n t s . W e d e s c r i b e a s i m p l e

v o l t a g e c o n t r o l l e d v e r s i o n 9 ] e v e n t h o u g h i n h i g h e r s p e e d c i r c u i t s a c u r r e n t c o n t r o l l e d m e t h o d o l o g y i s

m o r e c o m m o n . A p h a s e d e t e c t i o n c i r c u i t i s u s e d t o d e c i d e w h e t h e r t h e i n t e r n a l c l o c k i s b e h i n d o r a h e a d

o f t h e e x t e r n a l c l o c k a n d p r o d u c e s a C h a r g e A d d o r C h a r g e R e m o v e s i g n a l a c c o r d i n g l y . T h e s e s i g n a l s

a r e s m o o t h e d b y a l o w p a s s l t e r t o p r o v i d e a s i g n a l t h a t c o n t r o l s a v o l t a g e c o n t r o l l e d d e l a y l i n e o r a

v o l t a g e c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ( V C O ) . T h e V C O s i t s b e t w e e n t h e c l o c k g e n e r a t o r a n d b u e r i n g l o g i c . I t i s

i m p o r t a n t t o n o t e t h a t t h i s P L L b a s e d t e c h n i q u e i s o n l y c a p a b l e o f e l i m i n a t i n g t h e c o m p o n e n t s o f c l o c k

s k e w t h a t a r e t h e r e s u l t o f t h e c l o c k g e n e r a t o r a n d c l o c k b u e r i n g c i r c u i t s . P L L ' s c a n n o t r e m o v e t h e

s k e w c o m p o n e n t s t h a t a r e c a u s e d b y t h e c l o c k d i s t r i b u t i o n t r e e . U s i n g m u l t i p l e P L L ' s a t v a r i o u s p o i n t s

i n t h e d i s t r i b u t i o n t r e e d o e s n o t h e l p s i n c e t h e a r e a p e n a l t y i s p o t e n t i a l l y s e v e r e a n d m i n o r d i e r e n c e s

i n t h e i n d i v i d u a l P L L o p e r a t i o n s w i l l c a u s e a n i n c r e a s e i n t h e a m o u n t o f j i t t e r i n t h e r e s u l t i n g c l o c k

s y s t e m . M o r e i m p o r t a n t l y t h i s t e c h n i q u e e x a c e r b a t e s t h e b a s i c p r o b l e m s i n c e n o w t h e p r o b l e m s h i f t s t o

d i s t r i b u t i o n o f t h e r e f e r e n c e c l o c k . T h e r e s u l t i s t h a t P L L ' s a r e a n i m p o r t a n t a n d u s e f u l c l o c k d i s t r i b u t i o n

t e c h n i q u e w h i c h c a n b e u s e d t o s o l v e p a r t o f t h e d e s k e w i n g p r o b l e m . H o w e v e r t h i s a p p r o a c h w i l l b e

i n a d e q u a t e i n t h e l o n g r u n s i n c e a s c i r c u i t f e a t u r e s i z e s s h r i n k a n d d i e s i z e s g r o w , a l a r g e r f r a c t i o n o f

s i g n a l s p e e d i s d u e t o w i r e d e l a y s a n d n o t t h e l o g i c d e l a y s i n t h e c l o c k d r i v e r a n d b u e r c i r c u i t s . N e w

a p p r o a c h e s w i l l b e n e c e s s a r y o r p e r f o r m a n c e w i l l b e a d v e r s e l y a e c t e d .

A s i m i l a r s k e w p r o b l e m e x i s t s f o r c i r c u i t b o a r d s a s w e l l a s c h i p s . T h e l i t e r a t u r e c o n t a i n s a n

a b u n d a n c e o f m e t h o d s f o r d e - s k e w i n g c l o c k s 2 , 3 6 ] o n a b o a r d b u t m o s t o f t h e m a r e a l s o c o s t l y i n

e i t h e r a r e a o r c o m p l e x i t y , a n d s o m e w i l l p r o b a b l y n o t b e r o b u s t e n o u g h f o r u s e i n c o m m e r c i a l c i r c u i t s .

A n i n t e r e s t i n g e x a m p l e i s t h e M o n a r c h 1 6 8 ] p r o c e s s o r c h i p w h i c h u s e d a c t i v e s i g n a l s e l e c t i o n o n e a c h

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i n p u t p a d . I n t h i s i n s t a n c e , a v e s l o t d e l a y l i n e w a s u s e d t o s k e w s i g n a l s t o m a t c h t h e c l o c k s k e w . T h e

a p p r o p r i a t e t a p i n t h e d e l a y l i n e w a s s e l e c t e d b a s e d o n a n a l y z i n g t h e c l o c k v s . t h e i n c o m i n g s i g n a l . W h i l e

t h e t e c h n i q u e d i d w o r k , i t s c o s t a n d c o m p l e x i t y a r e p r o b a b l y m o r e i n s t r u c t i v e i n a p a t h o l o g i c a l s e n s e .

T h e b o t t o m l i n e i s t h a t c l o c k m a n a g e m e n t i s a d i c u l t p r o b l e m a n d s o l v i n g i t i n t o d a y ' s h i g h - s p e e d

c o m p l e x d e s i g n s i s c o s t l y . A s y n c h r o n o u s c i r c u i t p r o p o n e n t s a d v o c a t e a s i m p l e s o l u t i o n , n a m e l y t h r o w

a w a y t h e w h o l e c o n c e p t o f a g l o b a l c l o c k . T h i s i s n o t a f r e e s o l u t i o n s i n c e g l o b a l a b s o l u t e t i m i n g m u s t

b e r e p l a c e d w i t h t h e r e l a t i v e a n d s e q u e n t i a l m e c h a n i s m s w h i c h l i e a t t h e h e a r t o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t

s i g n a l i n g p r o t o c o l s . C h u c k S e i t z w r o t e a n e x c e l l e n t i n t r o d u c t i o n t o t h i s g e n e r a l t o p i c i n h i s c h a p t e r o n

S y s t e m T i m i n g i n t h e c l a s s i c V L S I b o o k b y M e a d a n d C o n w a y 1 2 9 ] . T h e n e x t s e c t i o n o f t h i s t r e a t i s e

p r e s e n t s s o m e o f t h e m o r e c o m m o n l y u s e d p r o t o c o l s a n d t e r m i n o l o g y .

A n o t h e r c o m m o n m o t i v a t i o n f o r p u r s u i n g t h e a s y n c h r o n o u s c i r c u i t o p t i o n i s t h e q u e s t f o r l o w -

p o w e r c i r c u i t o p e r a t i o n . T h e c o n s u m e r m a r k e t ' s h u n g e r f o r p o w e r f u l y e t p o r t a b l e d i g i t a l s y s t e m s w h i c h

r u n o n l i g h t w e i g h t b a t t e r y p a c k s i s g r o w i n g a t a r a p i d r a t e . H e n c e t h e r e i s a s t r o n g c o m m e r c i a l i n t e r e s t

i n l o w - p o w e r d e s i g n m e t h o d s w h i c h e x t e n d t h e o p e r a t i o n a l l i f e o f a p a r t i c u l a r b a t t e r y t e c h n o l o g y . C M O S

c i r c u i t s h a v e a p a r t i c u l a r a p p e a l , s i n c e t h e y c o n s u m e n e g l i g i b l e p o w e r w h e n t h e y a r e i d l e . T h i s w o u l d n o t

b e t r u e , h o w e v e r , i f t h e c l o c k o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t w e r e t o c o n t i n u e r u n n i n g . T h e r e f o r e , l o w - p o w e r

s y n c h r o n o u s c i r c u i t s u s u a l l y i n v o l v e s o m e m e t h o d o f s h u t t i n g d o w n t h e c l o c k t o s u b s y s t e m s w h i c h a r e

n o t n e e d e d a t a p a r t i c u l a r t i m e . C l o c k s m u s t b e c o n t i n u o u s l y s u p p l i e d t h e s u b c o m p o n e n t t h a t m u s t

m o n i t o r t h e e n v i r o n m e n t f o r t h e n e x t c a l l t o a c t i o n . T h e r e s u l t i s t h a t p o w e r m u s t b e c o n s u m e d e v e n

d u r i n g i d l e p e r i o d s . F u r t h e r m o r e , t h e s e c l o c k s w i t c h e s e x a c e r b a t e t h e c l o c k s k e w i s s u e s w h i c h l i m i t

p e r f o r m a n c e a n d a l s o r e d u c e t h e c i r c u i t ' s a b i l i t y t o p r o v i d e m a x i m u m p e r f o r m a n c e w h e n i t i s n e e d e d .

A s y n c h r o n o u s c i r c u i t s h a v e t h e a d v a n t a g e t h a t t h e y g o i n t o i d l e m o d e f o r f r e e s i n c e , b y n a t u r e , w h e n

t h e r e i s n o t h i n g t o d o t h e r e a r e n o t r a n s i t i o n s o n a n y w i r e i n t h e c i r c u i t . A n o t h e r a d v a n t a g e i s t h a t e v e n

f o r a n a c t i v e s y s t e m , o n l y t h e s u b s y s t e m s t h a t a r e r e q u i r e d f o r t h e c o m p u t a t i o n a t h a n d w i l l d i s s i p a t e

a n y p o w e r . R e s e a r c h e r s s u c h a s K e e s v a n B e r k e l 2 1 1 ] a n d S t e v e F u r b e r 7 0 ] a r e p u r s u i n g a s y n c h r o n o u s

c i r c u i t d e s i g n s i n a n a t t e m p t t o e x p l o i t t h i s f e a t u r e .

T h e n a l m o t i v a t i o n o f a s y n c h r o n o u s d e s i g n i s t h e i n h e r e n t e a s e o f c o m p o s i n g a s y n c h r o n o u s

s u b s y s t e m s i n t o l a r g e r a s y n c h r o n o u s s y s t e m s . W h i l e t h e r e i s s t i l l r o o m f o r d o u b t a b o u t w h e t h e r a s y n -

c h r o n o u s c i r c u i t s c a n g e n e r a l l y a c h i e v e t h e i r p o t e n t i a l a d v a n t a g e s i n t e r m s o f h i g h e r p e r f o r m a n c e o r

l o w e r p o w e r o p e r a t i o n t h a n s y n c h r o n o u s c i r c u i t s , t h e r e i s l i t t l e d o u b t t h a t a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s d o h a v e

a d e n i t e a d v a n t a g e w i t h r e s p e c t t o c o m p o s a b i l i t y . A s y n c h r o n o u s c i r c u i t s a r e f u n c t i o n a l m o d u l e s i n t h a t

t h e y c o n t a i n b o t h t h e i r t i m i n g a n d d a t a r e q u i r e m e n t s e x p l i c i t l y i n t h e i r i n t e r f a c e s . I n a s e n s e , t h e y \ k e e p

t i m e f o r t h e m s e l v e s " , h e n c e t h e t e r m s e l f - t i m e d c i r c u i t s . S y n c h r o n o u s c i r c u i t m o d u l e s c o n t a i n o n l y d a t a

r e q u i r e m e n t s i n t h e i r i n t e r f a c e s a n d s h a r e t h e c l o c k . H o w e v e r , i m p o r t a n t t e m p o r a l i s s u e s , s u c h a s w h e n

d a t a m u s t b e v a l i d t o a v o i d s e t - u p a n d h o l d t i m e v i o l a t i o n s b e t w e e n m o d u l e s , a r e i m p l i c i t a t b e s t . I n

c o n t r a s t , c o m p o s i n g a s y n c h r o n o u s m o d u l e s i s a l m o s t t r i v i a l . I f t h e i n t e r f a c e s m a t c h a n d o b s e r v e t h e

s a m e s i g n a l i n g p r o t o c o l t h e n t h e y c a n s i m p l y b e c o n n e c t e d . T h e s a m e c a n n o t b e s a i d f o r s y n c h r o n o u s

c i r c u i t s w i t h t h e i r g l o b a l t i m i n g r e q u i r e m e n t s a n d c l o c k - b a s e d s e q u e n c i n g . T h e r e s u l t i s t h a t a m o r e

d e t a i l e d k n o w l e d g e o f m o d u l e i n t e r n a l s i s r e q u i r e d b e f o r e s y n c h r o n o u s s u b s y s t e m s c a n b e c o n n e c t e d .

T h e p r o b l e m o f c o m b i n i n g s y n c h r o n o u s s y s t e m s i s e x a c e r b a t e d w h e n e a c h m o d u l e h a s a s e p a r a t e

c l o c k , e a c h r u n n i n g a t a d i e r e n t f r e q u e n c y . T h e e e c t s o f t h i s p r o b l e m a r e n u m e r o u s a n d p r o b a b i l i s t i -

c a l l y i n v o l v e s o m e v a r i a n t o f m e t a s t a b i l i t y f a i l u r e 3 4 ] . I t i s c o m m o n l y a c c e p t e d , a l t h o u g h n o t d e n i t i v e l y

5


6/58

p r o v e n t o t h e a u t h o r s ' k n o w l e d g e , t h a t i t i s i m p o s s i b l e t o b u i l d a p e r f e c t s y n c h r o n i z e r . M a n y o f t h e s u b -

s y s t e m s i n t o d a y ' s c o m p u t e r s r u n o n c l o c k s w h i c h a r e n o t s y n c h r o n i z e d w i t h t h e C P U . A g o o d e x a m p l e

i s t h e I / O s u b s y s t e m . O f t e n t h e s e s u b s y s t e m s a r e c o n f u s i n g l y c a l l e d a s y n c h r o n o u s o r a r e c o n s i d e r e d t o

h a v e a n a s y n c h r o n o u s i n t e r f a c e . I n r e a l i t y , t h e y a r e s y n c h r o n o u s s y s t e m s w h i c h u s e s o m e s o r t o f s y n -

c h r o n i z i n g s c h e m e i n t h e i r i n t e r f a c e . S y n c h r o n i z e r s , w h i l e i m p e r f e c t , e e c t i v e l y t r a d e i n c r e a s e d l a t e n c y

f o r m o r e r e l i a b l e s y n c h r o n i z a t i o n . T h e r e l i a b i l i t y i s a d j u s t e d t o m e e t t h e M T B F ( M e a n T i m e B e f o r e

F a i l u r e ) r e q u i r e m e n t s o f t h e s y s t e m , a n d t h e r e s u l t i n g d e c r e a s e d p e r f o r m a n c e i s s i m p l y v i e w e d a s t h e

p r i c e t h a t m u s t b e p a i d f o r t h e r e q u i r e d r e l i a b i l i t y .

T h e e a s e o f c o m p o s i n g a s y n c h r o n o u s s u b s y s t e m s i s a c l e a r a d v a n t a g e . I t a l l o w s c o m p o n e n t s f r o m

p r e v i o u s d e s i g n s t o b e r e u s e d , i t a l l o w s m o d i c a t i o n o f s l o w e r c o m p o n e n t s w h i c h m a y r e s u l t i n i n c r e -

m e n t a l p e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t s w i t h o u t i m p a c t i n g t h e o v e r a l l d e s i g n , a n d i t f a c i l i t a t e s b e h a v i o r a l

a n a l y s i s b y f o r m a l m e t h o d s . H o w e v e r , a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s a r e n o t p r e s e n t l y t h e m a i n s t a y o f c o m -

m e r c i a l p r a c t i c e . T h e d e n i t e a d v a n t a g e o f c o m p o s a b i l i t y i s n o t a s t r o n g e n o u g h f a c t o r t o c o u n t e r t h e

s i g n i c a n t s y n c h r o n o u s c i r c u i t m o m e n t u m , a n d t h e p r o m i s e s o f i m p r o v e d p e r f o r m a n c e a n d d e c r e a s e d

p o w e r c o n s u m p t i o n r e m a i n t o b e g e n e r a l l y r e a l i z e d . T h e r e i s a l s o a c l e a r g a p i n t h e q u a l i t y o f t h e d e s i g n

i n f r a s t r u c t u r e , e . g . C A D t o o l s , l i b r a r i e s , e t c . I n a d d i t i o n , t h e l e v e l o f s y n c h r o n o u s d e s i g n e x p e r i e n c e

d w a r f s t h e s m a l l e x p e r i e n c e b a s e i n a s y n c h r o n o u s c i r c u i t d e s i g n . T h e s u b s e q u e n t s e c t i o n s o n c u r r e n t

r e s e a r c h a r e i n d i c a t i o n s t h a t t h i s g a p i s n a r r o w i n g . T h e a s y n c h r o n o u s c i r c u i t d i s c i p l i n e i s b e c o m i n g m o r e

v i a b l e , e v e n t h o u g h m u c h w o r k r e m a i n s t o b e d o n e b e f o r e t h e y w i l l b e c o m p e t i t i v e i n t h e c o m m e r c i a l

s e c t o r .

3 C o n t r o l l i n g A s y n c h r o n o u s C i r c u i t s

3 . 1 S i g n a l i n g P r o t o c o l s

M o s t a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s i g n a l i n g s c h e m e s a r e b a s e d o n s o m e s o r t o f p r o t o c o l i n v o l v i n g r e q u e s t s , w h i c h

a r e u s e d t o i n i t i a t e a n a c t i o n , a n d c o r r e s p o n d i n g a c k n o w l e d g m e n t s , u s e d t o s i g n a l c o m p l e t i o n o f t h a t

a c t i o n . T h e s e c o n t r o l s i g n a l s p r o v i d e a l l o f t h e n e c e s s a r y s e q u e n c e c o n t r o l s f o r c o m p u t a t i o n a l e v e n t s i n

t h e s y s t e m . S t r i c t l y s p e a k i n g t h e s e h a n d s h a k e s i g n a l s a r e i n d e p e n d e n t o f a n y g l o b a l s y s t e m t i m e a n d a r e

o n l y c o n c e r n e d w i t h t h e l o c a l r e l a t i v e t e m p o r a l r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t w o s u b s y s t e m s s h a r i n g a c o m m o n

i n t e r f a c e . T h e r e s u l t i n g c o m p u t a t i o n a l m o d e l i s v e r y m u c h l i k e t h e d a t a o w m o d e l 4 9 , 1 ] , w h e r e t h e

a r r i v a l o f t h e n e c e s s a r y o p e r a n d d a t a t r i g g e r s a n o p e r a t i o n . S i m i l a r l y t h e r e i s a c o n c e p t o f a s e n d e r o f

i n f o r m a t i o n a n d a c o r r e s p o n d i n g r e c e i v e r . F r o m t h e c i r c u i t p e r s p e c t i v e , a n d i g n o r i n g d a t a t r a n s m i s s i o n

i s s u e s f o r n o w , t h e s e r e q u e s t a n d a c k n o w l e d g e c o n t r o l s i g n a l s t y p i c a l l y p a s s b e t w e e n t w o m o d u l e s o f a n

a s y n c h r o n o u s s y s t e m . F o r e x a m p l e l e t t h e r e b e t w o m o d u l e s , a s e n d e r A a n d a r e c e i v e r B . A r e q u e s t

i s s e n t f r o m A t o B t o i n d i c a t e t h a t A i s r e q u e s t i n g s o m e a c t i o n b y B . W h e n B i s e i t h e r d o n e w i t h

t h e a c t i o n o r h a s s t o r e d t h e r e q u e s t , i t a c k n o w l e d g e s t h e r e q u e s t b y a s s e r t i n g t h e a c k n o w l e d g e s i g n a l ,

w h i c h i s s e n t f r o m B t o A . M o s t a s y n c h r o n o u s s i g n a l i n g p r o t o c o l s r e q u i r e a s t r i c t a l t e r n a t i o n o f r e q u e s t

a n d a c k n o w l e d g e e v e n t s . T h e s e i d e a s c a n b e e x t e n d e d t o i n t e r f a c e s s h a r e d b y m o r e t h a n 2 s u b s y s t e m s ,

a l t h o u g h t h i s i s n o t t h e c o m m o n c a s e d u e t o p e r f o r m a n c e a n d c i r c u i t c o m p l e x i t y i s s u e s .

T h e r e a r e s e v e r a l c h o i c e s o f h o w t h e s e a l t e r n a t i n g e v e n t s a r e e n c o d e d o n t o s p e c i c c o n t r o l w i r e s .

6


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F i g u r e 1 : 4 - c y c l e A s y n c h r o n o u s S i g n a l i n g P r o t o c o l

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F i g u r e 2 : 2 - c y c l e A s y n c h r o n o u s S i g n a l i n g P r o t o c o l

T w o c h o i c e s h a v e b e e n s o p e r v a s i v e t h a t t h e y w i l l b e d e s c r i b e d h e r e t o i l l u s t r a t e t h e c o n c e p t . O n e

c o m m o n c h o i c e i s t h e 4 - c y c l e p r o t o c o l s h o w n i n F i g u r e 1 . O t h e r n a m e s f o r t h i s p r o t o c o l a r e a l s o i n

c o m m o n u s e : R Z ( r e t u r n t o z e r o ) , 4 - p h a s e , a n d l e v e l - s i g n a l i n g . I n F i g u r e 1 , t h e w a v e f o r m s a p p e a r

p e r i o d i c f o r c o n v e n i e n c e b u t t h e y d o n o t n e e d t o b e s o i n p r a c t i c e . T h e c u r v e d a r r o w s i n d i c a t e t h e

r e q u i r e d b e f o r e / a f t e r s e q u e n c e o f e v e n t s . T h e r e i s n o i m p l i c i t a s s u m p t i o n a b o u t t h e d e l a y b e t w e e n

s u c c e s s i v e e v e n t s . N o t e t h a t i n t h i s p r o t o c o l t h e r e a r e t y p i c a l l y 4 t r a n s i t i o n s ( 2 o n t h e r e q u e s t a n d 2

o n t h e a c k n o w l e d g e ) r e q u i r e d t o c o m p l e t e a p a r t i c u l a r e v e n t t r a n s a c t i o n . P r o p o n e n t s o f t h i s s c h e m e

a r g u e t h a t t y p i c a l l y 4 - c y c l e c i r c u i t s a r e s m a l l e r t h a n t h e y a r e f o r 2 - c y c l e s i g n a l i n g , a n d t h a t t h e t i m e

r e q u i r e d f o r t h e f a l l i n g t r a n s i t i o n s o n t h e r e q u e s t o n a c k n o w l e d g e l i n e s d o n o t u s u a l l y c a u s e a p e r f o r m a n c e

d e g r a d a t i o n . T h i s i s b e c a u s e f a l l i n g t r a n s i t i o n s c a n h a p p e n i n p a r a l l e l w i t h o t h e r c i r c u i t o p e r a t i o n s , o r

a r e c a n b e u s e d t o c o n t r o l t h e t r a n s m i s s i o n o f t h e a n s w e r d a t a b a c k t o t h e r e q u e s t e r .

T h e o t h e r c o m m o n c h o i c e i s 2 - c y c l e s i g n a l i n g s h o w n i n F i g u r e 2 , a l s o c a l l e d t r a n s i t i o n 2 - p h a s e

o r N R Z ( n o n - r e t u r n t o z e r o ) s i g n a l i n g . I n t h i s c a s e t h e w a v e f o r m s a r e t h e s a m e a s f o r 4 - c y c l e s i g n a l i n g

w i t h t h e e x c e p t i o n t h a t e v e r y t r a n s i t i o n o n t h e r e q u e s t w i r e , b o t h f a l l i n g a n d r i s i n g , i n d i c a t e s a n e w

r e q u e s t . T h e s a m e i s t r u e f o r t r a n s i t i o n s o n t h e a c k n o w l e d g e w i r e . 2 - c y c l e s i g n a l i n g i s p a r t i c u l a r l y u s e f u l

f o r h i g h - s p e e d m i c r o p i p e l i n e s , a s p o i n t e d o u t b y I v a n S u t h e r l a n d i n h i s T u r i n g A w a r d p a p e r 2 0 0 ] .

2 - c y c l e p r o p o n e n t s a r g u e t h a t t h a t 2 - c y c l e s i g n a l i n g i s b e t t e r f r o m b o t h a p o w e r a n d a p e r f o r m a n c e

s t a n d p o i n t , s i n c e e v e r y t r a n s i t i o n r e p r e s e n t s a m e a n i n g f u l e v e n t a n d n o t r a n s i t i o n s o r p o w e r a r e c o n s u m e d

i n r e t u r n i n g t o z e r o , s i n c e t h e r e i s n o r e s e t t i n g o f t h e h a n d s h a k e l i n k . W h i l e i n p r i n c i p l e t h i s i s t r u e ,

i t i s a l s o t h e c a s e t h a t m o s t 2 - c y c l e i n t e r f a c e i m p l e m e n t a t i o n s r e q u i r e m o r e l o g i c t h a n t h e i r 4 - c y c l e

e q u i v a l e n t s . T h e i n c r e a s e d l o g i c c o m p l e x i t y m a y c o n s u m e m o r e p o w e r t h a n i s s a v e d b y t h e r e d u c e d

7


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c o n t r o l t r a n s i t i o n s . T h i s w a s s h o w n t o b e t h e c a s e i n t h e t w o v e r s i o n s o f t h e l o w - p o w e r a s y n c h r o n o u s

A R M p r o c e s s o r p r o d u c e d b y r e s e a r c h e r s a t t h e U n i v e r s i t y o f M a n c h e s t e r . A R M 1 7 0 ] w a s a 2 - c y c l e

d e s i g n . T h e l a c k o f a d i s t i n c t l o w - p o w e r a d v a n t a g e i n A R M 1 , l e d t o a n i m p r o v e d A R M 2 7 3 ] 4 - c y c l e

d e s i g n w h i c h d e m o n s t r a t e d b o t h a p e r f o r m a n c e a n d l o w - p o w e r i m p r o v e m e n t o v e r t h e A R M 1 . S o m e o f

t h i s i m p r o v e m e n t c a n c e r t a i n l y b e a t t r i b u t e d t o i n c r e a s e d d e s i g n e x p e r t i s e , b u t t h e e x p e r i e n c e p r o v i d e s

c o m p e l l i n g e v i d e n c e t h a t p o w e r a n d p e r f o r m a n c e a r g u m e n t s c a n n o t b e b a s e d s o l e l y o n c o u n t i n g t h e

n u m b e r o f c o n t r o l t r a n s i t i o n s p e r e v e n t .

4 - c y c l e p r o p o n e n t s a r g u e t h a t t h e f a l l i n g ( r e t u r n t o z e r o ) t r a n s i t i o n s a r e o f t e n e a s i l y h i d d e n b y

o v e r l a p p i n g t h e m w i t h o t h e r a c t i o n s i n t h e c i r c u i t . A n o t h e r a p p r o a c h , c a l l e d e a r l y a c k n o w l e d g e , i s t o

d e s i g n 4 - c y c l e c i r c u i t s t o i n d i c a t e e v e n t c o m p l e t i o n w i t h t h e r e s e t t r a n s i t i o n o n t h e a c k n o w l e d g e w i r e

r a t h e r t h a n b y a c k n o w l e d g e a s s e r t i o n . S i n c e t h e s e n d e r c a n t h e n d e a s s e r t t h e r e q u e s t , t h e i m p l i c a t i o n

i s t h a t t h e r e c e i v e r m u s t l a t c h t h e i n c o m i n g t r a n s a c t i o n p r i o r t o c o m p l e t i n g t h e r e q u e s t e d a c t i o n . T h e

r e s u l t i s a n a s y n c h r o n o u s p i p e l i n e s t r u c t u r e s i m i l a r t o s y n c h r o n o u s p i p e l i n e c i r c u i t s . T h e g o a l o f a l l

p i p e l i n e c i r c u i t s i s t h e i n c r e a s e i n t h r o u g h p u t p e r f o r m a n c e . S t i l l , m o s t d e s i g n e r s w o u l d a g r e e t h a t b o t h

2 - a n d 4 - c y c l e p r o t o c o l s h a v e a d v a n t a g e s o v e r t h e o t h e r i n p a r t i c u l a r c i r c u i t s . C e r t a i n d e s i g n s t y l e s 4 8 ]

a n d d e s i g n s 1 9 9 ] s h o w t h a t t h e 2 - c y c l e p r o t o c o l s c a n c o e x i s t i n t h e s a m e s y s t e m , a l b e i t o n d i e r e n t

i n t e r f a c e s . N u m e r o u s 2 - c y c l e t o 4 - c y c l e ( a n d v i c e v e r s a ) c o n v e r s i o n c i r c u i t s e x i s t a n d c a n b e u s e d f o r

i n t e r f a c e s w h e r e p e r f o r m a n c e i s n o t c r i t i c a l , s i n c e t h e c i r c u i t s d o a d d s o m e l a t e n c y t o t h e i n t e r f a c e

o p e r a t i o n .

O t h e r i n t e r f a c e p r o t o c o l s , b a s e d o n s i m i l a r s e q u e n c i n g r u l e s , e x i s t f o r 3 o r m o r e m o d u l e i n t e r f a c e s .

A p a r t i c u l a r l y c o m m o n d e s i g n r e q u i r e m e n t i s t o c o n j o i n 2 o r m o r e r e q u e s t s t o p r o v i d e a s i n g l e o u t g o i n g

r e q u e s t , o r c o n v e r s e l y t o p r o v i d e a c o n j u n c t i o n o f a c k n o w l e d g e s i g n a l s . A c o m m o n l y u s e d a s y n c h r o n o u s

e l e m e n t i s t h e C - e l e m e n t , w h i c h c a n b e v i e w e d a s a p r o t o c o l - p r e s e r v i n g c o n j u n c t i v e g a t e . N o t e t h a t t h i s

e l e m e n t i s e q u a l l y u s e f u l f o r b o t h 2 - a n d 4 - c y c l e p r o t o c o l s . T h e d e s c r i p t i o n h e r e w i l l c o n s i d e r a 2 - i n p u t

C - e l e m e n t f o r s i m p l i c i t y . T h e c o m m o n l o g i c s y m b o l a n d a p o s i t i v e - l o g i c , g a t e - l e v e l i m p l e m e n t a t i o n a r e

s h o w n i n F i g u r e 3 . F r o m a n i n i t i a l s t a t e w h e r e i n p u t s x a n d y a r e b o t h l o w , t h e o u t p u t z i s l o w . W h e n

b o t h x a n d y g o h i g h , t h e n t h e o u t p u t z w i l l g o h i g h . S i m i l a r l y w h e n b o t h i n p u t s g o l o w , t h e n t h e

o u t p u t w i l l g o l o w . T h e C - e l e m e n t e e c t i v e l y m e r g e s t w o r e q u e s t s i n t o a s i n g l e r e q u e s t a n d p e r m i t s 3

s u b s y s t e m s t o c o m m u n i c a t e i n a p r o t o c o l - p r e s e r v i n g 2 - o r 4 - c y c l e m a n n e r . M a n y c o n s i d e r C - e l e m e n t s t o

b e a s f u n d a m e n t a l a s a N A N D g a t e i n a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s , a n d t h e y w i l l a p p e a r r e p e a t e d l y i n m a n y

o f t h e b a s i c c i r c u i t s t h a t w i l l b e s u b s e q u e n t l y p r e s e n t e d h e r e . T h e f e e d b a c k s i g n a l f r o m t h e o u t p u t o f

t h e C - e l e m e n t t o t w o o f t h e 2 - i n p u t N A N D g a t e s i n d i c a t e s t h a t t h e C e l e m e n t i s i t s e l f a f o r m o f l a t c h . I t

t h e r e f o r e a c t s a s a s y n c h r o n i z a t i o n p o i n t w h i c h i s n e c e s s a r y f o r p r o t o c o l p r e s e r v a t i o n . H o w e v e r , e x c e s s

s y n c h r o n i z a t i o n r e d u c e s p e r f o r m a n c e a n d t h e r e a r e n u m e r o u s a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s w h i c h h a v e b e e n

d e s i g n e d w i t h t o o m a n y C - e l e m e n t s a n d t h e i r p e r f o r m a n c e h a s s u e r e d . A n A N D ( o r N A N D ) g a t e i s

a c o n j u n c t i o n o f o n l y t h e l o w t o h i g h i n p u t s i g n a l t r a j e c t o r i e s w h e r e a s t h e C - e l e m e n t i s c o n j u n c t i v e f o r

b o t h r i s i n g a n d f a l l i n g t r a j e c t o r i e s . T h e k e y i s t o p r o p e r l y u n d e r s t a n d t h e c o n j u n c t i o n r e q u i r e m e n t s

o f t h e c i r c u i t a n d n o t u s e C - e l e m e n t s w h e r e s o m e f o r m o f A N D g a t e w i l l s u c e . I t i s r a r e t h a t l a r g e

a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s c a n b e b u i l t u s i n g n o C - e l e m e n t s , b u t t h e e x i s t e n c e o f m a n y C - e l e m e n t s i n t h e

c i r c u i t i s o f t e n a n i n d i c a t i o n t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e c i r c u i t w i l l b e r e d u c e d .

S o f a r , t h e d i s c u s s i o n h a s o n l y a d d r e s s e d c o n t r o l s i g n a l s . T h e r e a r e a l s o c h o i c e s f o r h o w t o e n c o d e

d a t a . A c o m m o n c h o i c e i s t h e u s e o f a b u n d l e d p r o t o c o l w i t h e i t h e r 2 - o r 4 - c y c l e s i g n a l i n g . I n t h i s

8


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CX

YZ

Symbol

X

Y

Z

Gate Level Implementation

F i g u r e 3 : T h e C - e l e m e n t

c a s e , f o r a n n - b i t d a t a v a l u e t o b e p a s s e d f r o m t h e s e n d e r t o t h e r e c e i v e r , n + 2 w i r e s w i l l b e r e q u i r e d

( n b i t s o f d a t a , 1 r e q u e s t b i t , a n d 1 a c k n o w l e d g e b i t ) . W h i l e t h i s c h o i c e i s c o n s e r v a t i v e i n t e r m s o f

w i r e s , i t d o e s c o n t a i n a n i m p l i e d t i m i n g a s s u m p t i o n . N a m e l y t h e a s s u m p t i o n i s t h a t t h e p r o p a g a t i o n

t i m e s o f t h e c o n t r o l a n d d a t a l i n e s a r e e i t h e r e q u a l o r t h a t t h e c o n t r o l p r o p a g a t e s s l o w e r t h a n t h e d a t a

s i g n a l s . A s e n d i n g m o d u l e w i l l a s s e r t t h e d a t a w i r e s a n d w h e n t h e y a r e v a l i d w i l l a s s e r t t h e r e q u e s t . I t

i s i m p o r t a n t t h a t t h e s a m e r e l a t i o n s h i p o f d a t a b e i n g v a l i d p r i o r t o r e q u e s t a s s e r t i o n b e o b s e r v e d a t t h e

r e c e i v i n g s i d e . I f t h i s w e r e n o t t h e c a s e , t h e r e c e i v e r c o u l d i n i t i a t e t h e r e q u e s t e d a c t i o n w i t h i n c o r r e c t

d a t a v a l u e s . T h i s r e q u i r e m e n t i s o f t e n s i m p l y c a l l e d t h e b u n d l i n g c o n s t r a i n t . M o s t a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s

h a v e b e e n d e s i g n e d w i t h b u n d l e d d a t a p r o t o c o l s b e c a u s e t h e l o g i c a n d w i r e s r e q u i r e d t o i m p l e m e n t

b u n d l e d d a t a c i r c u i t s i s s i g n i c a n t l y l e s s t h a n w i t h n o n - b u n d l e d a p p r o a c h e s . H o w e v e r , i n o r d e r f o r

b u n d l e d d a t a a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s t o w o r k p r o p e r l y , t h e b u n d l i n g c o n s t r a i n t m u s t b e m e t . A n t a g o n i s t s

o f t h i s a p p r o a c h n o t e t h a t t h e s e t i m i n g a s s u m p t i o n s , w h i l e l o c a l t o a p a r t i c u l a r i n t e r f a c e , a r e s i m i l a r t o

t h o s e m a d e f o r s y n c h r o n o u s c i r c u i t d e s i g n .

T h e c o m m o n a l t e r n a t i v e t o t h e b u n d l e d d a t a a p p r o a c h i s d u a l r a i l e n c o d i n g . I n t h i s c a s e , d a t a

a n d c o n t r o l s i g n a l s a r e n o t s e p a r a t e d o n t o d i s t i n c t w i r e p a t h s . I n s t e a d , u s i n g t h e d u a l r a i l a p p r o a c h , a

b i t o f d a t a i s e n c o d e d w i t h i t s o w n r e q u e s t o n t o 2 w i r e s . A t y p i c a l d u a l r a i l e n c o d i n g h a s f o u r s t a t e s :

1 . 0 0 - I d l e , d a t a i s n o t v a l i d

2 . 1 0 - V a l i d 0

3 . 0 1 - V a l i d 1

4 . 1 1 - I l l e g a l

I n t h i s c a s e , f o r a n n - b i t d a t a v a l u e , t h e l i n k b e t w e e n s e n d e r a n d r e c e i v e r m u s t c o n t a i n 3 n w i r e s :

2 w i r e s f o r e a c h b i t o f d a t a a n d t h e a s s o c i a t e d r e q u e s t p l u s a n o t h e r b i t f o r t h e a c k n o w l e d g e . A n

i m p r o v e m e n t o n t h i s p r o t o c o l i s p o s s i b l e w h e n n - b i t s o f d a t a a r e c o n s i d e r e d t o b e a s s o c i a t e d i n e v e r y

t r a n s a c t i o n , a s i s t h e c a s e w h e n t h e c i r c u i t o p e r a t e s o n b y t e s o r w o r d s . I n t h i s c a s e i t i s c o n v e n i e n t t o

c o m b i n e t h e a c k n o w l e d g e s i n t o a s i n g l e w i r e . T h e r e s u l t i n g w i r i n g c o m p l e x i t y i s t h e n r e d u c e d t o 2 n + 1

w i r e s : 2 n f o r t h e d a t a a n d r e q u e s t s p l u s a n a d d i t i o n a l a c k n o w l e d g e s i g n a l . I n a f o u r c y c l e v a r i a n t o f

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t h i s d u a l r a i l p r o t o c o l , s e n d i n g a b i t r e q u i r e s t h e t r a n s i t i o n f r o m t h e I d l e s t a t e t o e i t h e r t h e v a l i d 0 o r

v a l i d 1 s t a t e a n d t h e n , a f t e r r e c e i v i n g t h e a c k n o w l e d g e , i t m u s t t r a n s i t i o n b a c k t o t h e i d l e s t a t e . T h e

a c k n o w l e d g e w i r e m u s t b e r e s e t p r i o r t o a s u b s e q u e n t a s s e r t i o n o f a v a l i d 0 o r 1 . T h e i l l e g a l s t a t e i s n o t

u s e d . I f r e c o g n i z e d b y t h e r e c e i v e r , i t s h o u l d c a u s e a n e r r o r .

A 2 - c y c l e d u a l - r a i l p r o t o c o l w o u l d s i g n a l a v a l i d 0 b y a s i n g l e t r a n s i t i o n o f t h e l e f t b i t , w h i l e a

v a l i d 1 w o u l d b e s i g n a l e d b y a t r a n s i t i o n o n t h e r i g h t b i t . C o n c u r r e n t t r a n s i t i o n s o n b o t h t h e l e f t a n d

r i g h t b i t s a r e i l l e g a l . S e n d i n g a 0 o r a 1 m u s t b e f o l l o w e d b y a t r a n s i t i o n o n t h e a c k n o w l e d g e w i r e b e f o r e

a n o t h e r b i t c a n b e t r a n s m i t t e d . A l t e r n a t i v e e n c o d i n g s c h e m e s h a v e b e e n p r o p o s e d a s w e l l 2 1 8 , 5 6 ] . D u a l

r a i l s i g n a l i n g i s i n s e n s i t i v e t o t h e d e l a y s o n a n y w i r e a n d t h e r e f o r e i s m o r e r o b u s t w h e n a s s u m p t i o n s l i k e

t h e b u n d l i n g c o n s t r a i n t c a n n o t b e g u a r a n t e e d . T h e r e c e i v e r w i l l n e e d t o c h e c k f o r v a l i d i t y o f a l l n - b i t s

b e f o r e u s i n g t h e d a t a o r a s s e r t i n g t h e a c k n o w l e d g e . T h e d o w n s i d e o f t h e d u a l r a i l a p p r o a c h i s o f t e n t h e

i n c r e a s e d c o m p l e x i t y i n b o t h w i r i n g a n d l o g i c .

3 . 2 C o m p l e t i o n S i g n a l s

O n e o f t h e a d d e d c o m p l e x i t i e s o f a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s i s t h e n e e d t o g e n e r a t e c o m p l e t i o n s i g n a l s t h a t

d i r e c t l y o r i n d i r e c t l y c o n t r o l t h e a c k n o w l e d g e s i g n a l i n a s i g n a l i n g p r o t o c o l . T h e r e a r e m a n y m e t h o d s ,

n o n e o f w h i c h i s u n i v e r s a l l y s a t i s f a c t o r y . O n e a p p r o a c h i s t o d e s i g n a n a s y n c h r o n o u s m o d u l e i n a m a n n e r

t h a t i s s i m i l a r t o a s y n c h r o n o u s c i r c u i t . N a m e l y , t h e a r r i v a l o f t h e r e q u e s t s t a r t s t h e m o d u l e s i n t e r n a l

c l o c k g e n e r a t o r a n d a f t e r a c e r t a i n n u m b e r o f i n t e r n a l c l o c k s : t h e c i r c u i t i s d o n e , t h e c l o c k i s s t o p p e d ,

a n d a n a c k n o w l e d g e i s g e n e r a t e d . T h e i d e a w a s o r i g i n a l l y s u g g e s t e d b y C h u c k S e i t z a n d w a s u s e d d u r i n g

t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e r s t d a t a o w c o m p u t e r , D D M 1 4 9 ] . T h i s t e c h n i q u e w o r k s w e l l w h e n t h e s i z e o f

t h e m o d u l e i s l a r g e , b u t w h e n t h e m o d u l e i s s m a l l , t h e a d d i t i o n a l l o g i c r e q u i r e d f o r t h e i n t e r n a l c l o c k

g e n e r a t o r r e p r e s e n t s a n o v e r h e a d t h a t i s t o o c o s t l y . A l s o , t h e t e c h n i q u e d o e s n o t l e n d i t s e l f w e l l t o h i g h

p e r f o r m a n c e d e s i g n s , d u e t o t h e i n c r e a s e d c i r c u i t c o m p l e x i t y a n d t h e d e l a y a s s o c i a t e d w i t h s t a r t i n g t h e

c l o c k g e n e r a t o r . T h e r e s u l t i s t h a t t h i s a p p r o a c h i s s e l d o m u s e d t o d a y , s i n c e m o d u l e s r e p r e s e n t r e l a t i v e l y

s m a l l p i e c e s o f a n i n t e g r a t e d c i r c u i t .

A n o t h e r c h o i c e f o r c o m p l e t i o n s i g n a l g e n e r a t i o n i s t h e u s e o f a m o d e l d e l a y . I n t h i s c a s e , c o n v e n -

t i o n a l s y n c h r o n o u s t i m i n g a n a l y s i s o f t h e d a t a p a t h i s u s e d t o d e t e r m i n e h o w l o n g t h e c i r c u i t w i l l t a k e t o

c o m p u t e a v a l i d r e s u l t a f t e r t h e r e q u e s t h a s b e e n r e c e i v e d . A d e l a y e l e m e n t , s u c h a s a n i n v e r t e r c h a i n , i s

t h e n u s e d t o t u r n t h e r e q u e s t i n t o t h e a p p r o p r i a t e l y d e l a y e d a c k n o w l e d g e s i g n a l . N o t e t h a t t h i s m e t h o d

w o r k s e q u a l l y w e l l f o r b o t h 2 - a n d 4 - c y c l e s i g n a l i n g p r o t o c o l s .

S p e c i a l f u n c t i o n s o f t e n h a v e u n i q u e o p p o r t u n i t i e s . F o r e x a m p l e , a r i t h m e t i c c i r c u i t s c a n b e b u i l t t o

g e n e r a t e c o m p l e t i o n s i g n a l s b a s e d o n c a r r y p r o p a g a t i o n p a t t e r n s 8 8 ] . O t h e r f u n c t i o n s c a n i n d e p e n d e n t l y

c o m p u t e b o t h F a n d F a n d u s e t h e e x c l u s i v e - O R o f t h e i r o u t p u t s t o g e n e r a t e t h e a c k n o w l e d g e s i g n a l .

N o t e t h a t t h i s t e c h n i q u e w i l l o n l y w o r k d i r e c t l y i n a 4 - c y c l e s i g n a l i n g p r o t o c o l . I f u s e d w i t h a 2 - c y c l e

p r o t o c o l , a d d i t i o n a l l o g i c s u c h a s a T i p - o p w i l l b e r e q u i r e d .

A n o v e l t e c h n i q u e w a s p r o p o s e d b y M a r k D e a n 5 5 ] w h e r e c o m p l e t i o n d e t e c t i o n w a s p e r f o r m e d

b y o b s e r v i n g t h e p o w e r c o n s u m p t i o n o f t h e c i r c u i t . W h e n a c t i v a t e d t h e c i r c u i t c o n s u m e s p o w e r , a n d

w h e n i t i s d o n e t h e p o w e r c o n s u m p t i o n f a l l s b e l o w a p a r t i c u l a r t h r e s h o l d .

1 0


11/58

T h e s t u d y o f c o m p l e t i o n s i g n a l g e n e r a t i o n m e t h o d s i n a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s c o u l d b e t h e t o p i c

o f a n e n t i r e b o o k . F o r n o w , i t i s o n l y n e c e s s a r y t o r e a l i z e t h a t s o m e m e t h o d m u s t b e c h o s e n , a n d t h a t

t h e n e e d f o r c o m p l e t i o n s i g n a l s a n d r e l a t e d s i g n a l i n g p r o t o c o l s i s a n e c e s s a r y o v e r h e a d o f a s y n c h r o n o u s

c i r c u i t d e s i g n . M a n y m o d e r n m e m o r y c h i p s a r e i n t e g r a t e d i n t o s y n c h r o n o u s s y s t e m s u s i n g t h i s s a m e

t e c h n i q u e . F o r e x a m p l e , m e m o r i e s a r e n o t i n h e r e n t l y s y n c h r o n o u s , b u t d o h a v e s p e c i e d a c c e s s l a t e n c i e s .

T h e s e s p e c i c a t i o n s a r e e s s e n t i a l l y m o d e l d e l a y s . S y s t e m s w h i c h u s e t h e s e c h i p s a s s u m e t h a t t h e a c c e s s

i s c o m p l e t e a f t e r a c e r t a i n n u m b e r o f c l o c k c y c l e s w h i c h c o r r e s p o n d t o a d e l a y t h a t i s n o s m a l l e r t h a n

t h e a c c e s s l a t e n c y o f t h e d e v i c e .

4 D e l a y M o d e l s a n d H a z a r d s

4 . 1 D e l a y M o d e l s , C i r c u i t s a n d E n v i r o n m e n t s

T h e r e i s a w i d e s p e c t r u m o f a s y n c h r o n o u s d e s i g n s . O n e w a y t o d i s t i n g u i s h a m o n g t h e m i s t o u n d e r -

s t a n d t h e d i e r e n t u n d e r l y i n g m o d e l s o f d e l a y a n d o p e r a t i o n . E v e r y p h y s i c a l c i r c u i t h a s i n h e r e n t d e l a y .

H o w e v e r , s i n c e s y n c h r o n o u s c i r c u i t s p r o c e s s i n p u t s b e t w e e n x e d c l o c k t i c k s , t h e y c a n o f t e n b e r e g a r d e d

a s i n s t a n t a n e o u s o p e r a t o r s , c o m p u t i n g a n e w r e s u l t i n e a c h c l o c k c y c l e . O n t h e o t h e r h a n d , s i n c e

a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s h a v e n o c l o c k , t h e y a r e b e s t r e g a r d e d a s c o m p u t i n g d y n a m i c a l l y t h r o u g h t i m e .

T h e r e f o r e , a d e l a y m o d e l i s c r i t i c a l i n d e n i n g t h e d y n a m i c b e h a v i o r o f a n a s y n c h r o n o u s c i r c u i t .

T h e r e a r e t w o f u n d a m e n t a l m o d e l s o f d e l a y : t h e p u r e d e l a y m o d e l a n d t h e i n e r t i a l d e l a y m o d e l 2 0 6 ,

1 8 2 ] . A p u r e d e l a y c a n d e l a y t h e p r o p a g a t i o n o f a w a v e f o r m , b u t d o e s n o t o t h e r w i s e a l t e r i t . A n i n e r t i a l

d e l a y c a n a l t e r t h e s h a p e o f a w a v e f o r m b y a t t e n u a t i n g s h o r t g l i t c h e s . M o r e f o r m a l l y , a n i n e r t i a l d e l a y

h a s a t h r e s h o l d p e r i o d , . P u l s e s o f d u r a t i o n l e s s t h a n a r e l t e r e d o u t .

D e l a y s a r e a l s o c h a r a c t e r i z e d b y t h e i r t i m i n g m o d e l s . I n a x e d d e l a y m o d e l , a d e l a y i s a s s u m e d

t o h a v e a x e d v a l u e . I n a b o u n d e d d e l a y m o d e l , a d e l a y m a y h a v e a n y v a l u e i n a g i v e n t i m e i n t e r v a l . I n

a n u n b o u n d e d d e l a y m o d e l , a d e l a y m a y t a k e o n a n y n i t e v a l u e .

A n e n t i r e c i r c u i t ' s b e h a v i o r c a n b e m o d e l e d o n t h e b a s i s o f i t s c o m p o n e n t m o d e l s . I n a s i m p l e -

g a t e o r g a t e - l e v e l , m o d e l , e a c h g a t e a n d p r i m i t i v e c o m p o n e n t i n t h e c i r c u i t h a s a c o r r e s p o n d i n g d e l a y . I n

a c o m p l e x - g a t e m o d e l , a n e n t i r e s u b - n e t w o r k o f g a t e s i s m o d e l e d b y a s i n g l e d e l a y t h a t i s , t h e n e t w o r k i s

a s s u m e d t o b e h a v e a s a s i n g l e o p e r a t o r , w i t h n o i n t e r n a l d e l a y s . W i r e s b e t w e e n g a t e s a r e a l s o m o d e l e d

b y d e l a y s . A c i r c u i t m o d e l i s t h u s d e n e d i n t e r m s o f t h e d e l a y m o d e l s f o r t h e i n d i v i d u a l w i r e s a n d

c o m p o n e n t s . T y p i c a l l y , t h e f u n c t i o n a l i t y o f a g a t e i s m o d e l e d b y a n i n s t a n t a n e o u s o p e r a t o r w i t h a n

a t t a c h e d d e l a y .

G i v e n a c i r c u i t m o d e l , i t i s a l s o i m p o r t a n t t o c h a r a c t e r i z e t h e i n t e r a c t i o n o f t h e c i r c u i t w i t h i t s

e n v i r o n m e n t . T h e c i r c u i t a n d e n v i r o n m e n t t o g e t h e r f o r m a c l o s e d s y s t e m , c a l l e d a c o m p l e t e c i r c u i t ( s e e

M u l l e r i n 1 3 2 ] ) . I f t h e e n v i r o n m e n t i s a l l o w e d t o r e s p o n d t o a c i r c u i t ' s o u t p u t s w i t h o u t a n y t i m i n g

c o n s t r a i n t s , t h e t w o i n t e r a c t i n i n p u t / o u t p u t m o d e 2 4 ] . O t h e r w i s e , e n v i r o n m e n t a l t i m i n g c o n s t r a i n t s a r e

a s s u m e d . T h e m o s t c o m m o n e x a m p l e i s f u n d a m e n t a l m o d e 1 2 6 , 2 0 6 ] w h e r e t h e e n v i r o n m e n t m u s t w a i t

f o r a c i r c u i t t o s t a b i l i z e b e f o r e r e s p o n d i n g t o c i r c u i t o u t p u t s . S u c h a r e q u i r e m e n t c a n b e s e e n a s t h e

h o l d t i m e f o r a s i m p l e l a t c h o r i p o p 1 2 7 ] .

1 1


12/58

4 . 2 C l a s s e s o f A s y n c h r o n o u s C i r c u i t s

G i v e n t h e s e m o d e l s f o r a c i r c u i t a n d i t s e n v i r o n m e n t , a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s c a n b e c l a s s i e d i n t o a

h i e r a r c h y .

A d e l a y - i n s e n s i t i v e ( D I ) c i r c u i t i s o n e w h i c h i s d e s i g n e d t o o p e r a t e c o r r e c t l y r e g a r d l e s s o f t h e

d e l a y s o n i t s g a t e s a n d w i r e s . T h a t i s , a n u n b o u n d e d g a t e a n d w i r e d e l a y m o d e l i s a s s u m e d . T h e c o n c e p t

o f a d e l a y - i n s e n s i t i v e c i r c u i t g r o w s o u t o f w o r k b y C l a r k a n d M o l n a r i n t h e 1 9 6 0 ' s o n M a c r o m o d u l e s 4 2 ] .

1

D I s y s t e m s h a v e b e e n f o r m a l i z e d b y U d d i n g 2 0 5 ] a n d D i l l 5 8 ] . T h e c l a s s o f D I c i r c u i t s b u i l t o u t o f s i m p l e

g a t e s a n d o p e r a t o r s i s q u i t e l i m i t e d . I n f a c t , i t h a s b e e n p r o v e n t h a t a l m o s t n o u s e f u l D I c i r c u i t s c a n b e

b u i l t i f o n e i s r e s t r i c t e d t o a c l a s s o f s i m p l e g a t e s a n d o p e r a t o r s 1 2 1 , 2 5 ] . H o w e v e r , m a n y p r a c t i c a l D I

c i r c u i t s c a n b e b u i l t i f o n e a l l o w s m o r e c o m p l e x c o m p o n e n t s 6 1 , 9 1 ] . A c o m p l e x c o m p o n e n t i s c o n s t r u c t e d

o u t o f s e v e r a l s i m p l e g a t e s . I n t e r n a l t o t h e c o m p o n e n t , t i m i n g a s s u m p t i o n s m u s t b e s a t i s e d e x t e r n a l l y ,

t h e c o m p o n e n t o p e r a t e s i n a d e l a y - i n s e n s i t i v e m a n n e r . A C - e l e m e n t i s s u c h a c o m p o n e n t a n d o t h e r

e x a m p l e s o f D I d e s i g n s u s i n g c o m p l e x c o m p o n e n t s a r e d e s c r i b e d i n S e c t i o n 6 . 4 s e e F i g u r e 1 5 .

A q u a s i - d e l a y - i n s e n s i t i v e ( q u a s i - D I o r Q D I ) c i r c u i t i s d e l a y - i n s e n s i t i v e e x c e p t t h a t \ i s o c h r o n i c

f o r k s " a r e r e q u i r e d 2 7 ] . A n i s o c h r o n i c f o r k i s a f o r k e d w i r e w h e r e a l l b r a n c h e s h a v e e x a c t l y t h e s a m e

d e l a y . I n o t h e r f o r m u l a t i o n s , a b o u n d e d s k e w i s a l l o w e d b e t w e e n t h e d i e r e n t b r a n c h e s o f e a c h f o r k . I n

c o n t r a s t , i n a D I c i r c u i t , d e l a y s o n t h e d i e r e n t f o r k b r a n c h e s a r e c o m p l e t e l y i n d e p e n d e n t , a n d m a y v a r y

c o n s i d e r a b l y . T h e m o t i v a t i o n o f Q D I c i r c u i t s i s t h a t t h e y a r e t h e w e a k e s t c o m p r o m i s e t o p u r e d e l a y -

i n s e n s i t i v i t y n e e d e d t o b u i l d p r a c t i c a l c i r c u i t s u s i n g s i m p l e g a t e s a n d o p e r a t o r s . C - e l e m e n t s a r e s o m e w h a t

p r o b l e m a t i c s i n c e t h e y i n h e r e n t l y c o n t a i n a n o u t p u t w h i c h i s f e d b a c k i n t e r n a l l y t o t h e C e l e m e n t . T h i s

c a s e r e p r e s e n t s t h e w o r s t f o r m o f i s o c h r o n i c f o r k , s i n c e o n e o f t h e f o r k s i s c o n t a i n e d w i t h i n t h e C e l e m e n t

c i r c u i t m o d u l e w h i l e t h e o t h e r i s e x p o r t e d t o o u t s i d e m o d u l e s . M a r t i n 1 2 2 ] a n d v a n B e r k e l 2 1 1 ] h a v e

u s e d Q D I c i r c u i t s e x t e n s i v e l y a n d h a v e d e s c r i b e d t h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s 1 2 1 , 2 1 4 ] .

A s p e e d - i n d e p e n d e n t ( S I ) c i r c u i t i s o n e w h i c h o p e r a t e s c o r r e c t l y r e g a r d l e s s o f g a t e d e l a y s w i r e s

a r e a s s u m e d t o h a v e z e r o o r n e g l i g i b l e d e l a y . S I c i r c u i t s w e r e i n t r o d u c e d b y D a v i d M u l l e r i n t h e 1 9 5 0 ' s

( s e e 1 3 2 ] ) . M u l l e r ' s f o r m u l a t i o n o n l y c o n s i d e r e d d e t e r m i n i s t i c i n p u t a n d o u t p u t b e h a v i o r . T h i s c l a s s

h a s r e c e n t l y b e e n e x t e n d e d t o i n c l u d e c i r c u i t s w i t h a l i m i t e d f o r m o f n o n - d e t e r m i n i s m 1 2 , 1 0 0 ] .

A s e l f - t i m e d c i r c u i t , d e s c r i b e d b y S e i t z 1 2 9 ] , c o n t a i n s a g r o u p o f s e l f - t i m e d \ e l e m e n t s " . E a c h

e l e m e n t i s c o n t a i n e d i n a n \ e q u i p o t e n t i a l r e g i o n " , w h e r e w i r e s h a v e n e g l i g i b l e o r w e l l - b o u n d e d d e l a y .

A n e l e m e n t i t s e l f m a y b e a n S I c i r c u i t , o r a c i r c u i t w h o s e c o r r e c t o p e r a t i o n r e l i e s o n u s e o f l o c a l t i m i n g

a s s u m p t i o n s . H o w e v e r , n o t i m i n g a s s u m p t i o n s a r e m a d e o n t h e c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n r e g i o n s t h a t

i s , c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n r e g i o n s i s d e l a y - i n s e n s i t i v e .

E a c h o f t h e a b o v e c i r c u i t s o p e r a t e i n i n p u t / o u t p u t m o d e : t h e r e a r e n o t i m i n g a s s u m p t i o n s o n

1

T h i s a r t i c l e c o n t a i n s n u m e r o u s r e f e r e n c e s t o t h e w o r k o f C h a r l e s M o l n a r . T h e a s y n c h r o n o u s c i r c u i t d i s c i p l i n e l o s t o n e

o f i t s b r i g h t e s t l i g h t s w h e n C h a r l i e p a s s e d a w a y i n D e c e m b e r , 1 9 9 6 . C h a r l i e ' s i n u e n c e o n t h e e l d w a s p r o f o u n d . H e

i n s p i r e d m a n y o f t h e p e o p l e w h o a r e t o d a y c o n s i d e r e d t o b e p i o n e e r s a n d s e n i o r s t a t e s m e n o f t h e e l d . H i s i n v e n t i o n s a r e

n u m e r o u s a s b o t h h i s p u b l i c a t i o n s a n d p a t e n t s a t t e s t . T h e d i c u l t a s p e c t o f C h a r l i e ' s i n u e n c e f o r p e o p l e t o g r a s p , w i t h

t h e e x c e p t i o n o f t h e f e w w h o h a d t h e p r i v i l e g e t o k n o w a n d w o r k w i t h C h a r l i e o v e r t h e y e a r s , i s t h e d e p t h a n d c r e a t i v i t y o f

h i s t h i n k i n g . C h a r l i e ' s w o r k h a s p r o v i d e d b o t h a s o l i d f o u n d a t i o n f o r t h e e l d a s w e l l a s a n i n s p i r a t i o n t o c o n t i n u e . A t t h e

t i m e o f h i s d e a t h , h e w a s o n e o f t h e c r e a t i v e l e a d e r s o f t h e a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s g r o u p a t S u n M i c r o s y s t e m s L a b o r a t o r i e s ,

I n c . 1 9 5 ] . H i s i n u e n c e w i l l b e s o r e l y m i s s e d .

1 2


13/58

w h e n t h e e n v i r o n m e n t r e s p o n d s t o t h e c i r c u i t . T h e m o s t g e n e r a l c a t e g o r y i s a n a s y n c h r o n o u s c i r c u i t 2 0 6 ] .

T h e s e c i r c u i t s c o n t a i n n o g l o b a l c l o c k . H o w e v e r , t h e y m a y m a k e u s e o f t i m i n g a s s u m p t i o n s b o t h w i t h i n

t h e c i r c u i t a n d i n t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n c i r c u i t a n d e n v i r o n m e n t . L a t c h e s a n d i p - o p s , w i t h s e t u p

a n d h o l d t i m e s , b e l o n g t o t h i s c l a s s . O t h e r e x a m p l e s i n c l u d e t i m e d c i r c u i t s 1 4 1 ] , w h e r e b o t h i n t e r n a l

a n d e n v i r o n m e n t a l b o u n d e d - d e l a y a s s u m p t i o n s a r e u s e d t o o p t i m i z e t h e d e s i g n s .

4 . 3 H a z a r d s

A f u n d a m e n t a l d i e r e n c e b e t w e e n s y n c h r o n o u s a n d a s y n c h r o n o u s c i r c u i t s i s i n t h e i r t r e a t m e n t o f h a z a r d s

I n a s y n c h r o n o u s s y s t e m , c o m p u t a t i o n o c c u r s b e t w e e n c l o c k t i c k s . G l i t c h e s o n w i r e s d u r i n g a c l o c k c y c l e

a r e u s u a l l y n o t a p r o b l e m . T h e s y s t e m o p e r a t e s c o r r e c t l y a s l o n g a s a s t a b l e a n d v a l i d r e s u l t i s p r o d u c e d

b e f o r e t h e n e x t c l o c k t i c k , w h e n t h e r e s u l t i s s a m p l e d . I n c o n t r a s t , i n a n a s y n c h r o n o u s s y s t e m , t h e r e i s

n o g l o b a l c l o c k c o m p u t a t i o n i s n o l o n g e r s a m p l e d a t d i s c r e t e i n t e r v a l s . A s a r e s u l t , a n y g l i t c h m a y b e

t r e a t e d b y t h e s y s t e m a s a r e a l c h a n g e i n v a l u e , a n d m a y c a u s e t h e s y s t e m t o m a l f u n c t i o n .

T h e p o t e n t i a l f o r a g l i t c h i n a n a s y n c h r o n o u s d e s i g n i s c a l l e d a h a z a r d 2 0 6 ] . H a z a r d s w e r e

r s t s t u d i e d i n t h e c o n t e x t o f a s y n c h r o n o u s s t a t e m a c h i n e s , a n d m u c h o f t h e o r i g i n a l w o r k f o c u s e d o n

c o m b i n a t i o n a l l o g i c . S e q u e n t i a l h a z a r d s a r e a l s o p o s s i b l e i n a s y n c h r o n o u s s t a t e m a c h i n e s t h e s e a r e

c a l l e d c r i t i c a l r a c e s o r e s s e n t i a l h a z a r d s , a n d w i l l b e d i s c u s s e d l a t e r .

S e v e r a l a p p r o a c h e s h a v e b e e n u s e d t o e l i m i n a t e c o m b i n a t i o n a l h a z a r d s . F i r s t , i n e r t i a l d e l a y s m a y

b e u s e d t o a t t e n u a t e u n d e s i r e d \ s p i k e s " m u c h o f t h e e a r l y w o r k i n a s y n c h r o n o u s s y n t h e s i s r e l i e d o n u s e o f

i n e r t i a l d e l a y s ( s e e U n g e r 2 0 6 ] ) . S e c o n d , i f a b o u n d e d d e l a y m o d e l i s a s s u m e d , h a z a r d s m a y b e \ x e d "

b y a d d i n g a p p r o p r i a t e d e l a y s t o s l o w d o w n c e r t a i n p a t h s i n a c i r c u i t . T h i r d , h a z a r d s a r e s o m e t i m e s

t o l e r a t e d w h e r e t h e y w i l l d o n o h a r m t h i s a p p r o a c h w a s a l s o u s e d i n s o m e e a r l y w o r k . F i n a l l y , a n d

m o s t i m p o r t a n t l y , s y n t h e s i s m e t h o d s c a n b e u s e d t o p r o d u c e c i r c u i t s w i t h n o h a z a r d s , i . e . , h a z a r d - f r e e

c i r c u i t s .

I n t h e r e m a i n d e r o f t h i s s e c t i o n , t h e b a s i c s o f h a z a r d - f r e e c o m b i n a t i o n a l s y n t h e s i s a r e p r e s e n t e d .

T w o t r a d i t i o n a l c l a s s e s o f c o m b i n a t i o n a l h a z a r d s a r e d e n e d : S I C a n d M I C h a z a r d s . C l a s s i c t e c h -

n i q u e s t o e l i m i n a t e b o t h S I C a n d M I C h a z a r d s i n 2 - l e v e l c i r c u i t s a r e i n t r o d u c e d , i l l u s t r a t e d b y s o m e

s i m p l e e x a m p l e s . T h e s e c t i o n c o n c l u d e s w i t h a d e s c r i p t i o n o f r e c e n t w o r k o n h a z a r d - f r e e m i n i m i z a t i o n .

T h r o u g h o u t t h i s s e c t i o n , a c o n s e r v a t i v e c i r c u i t m o d e l i s u s e d : t h e c o m b i n a t i o n a l c i r c u i t i s a s s u m e d t o

h a v e u n k n o w n g a t e a n d w i r e d e l a y s . T h a t i s , a n u n b o u n d e d g a t e a n d w i r e d e l a y m o d e l i s a s s u m e d .

4 . 3 . 1 S I C H a z a r d s

H a z a r d s a r e t e m p o r a l p h e n o m e n a : t h e y a r e m a n i f e s t d u r i n g t h e d y n a m i c o p e r a t i o n o f a c i r c u i t . A s

a n e x a m p l e , c o n s i d e r t h e K a r n a u g h m a p ( \ K - m a p " ) 1 2 7 ] i n F i g u r e 4 ( a ) , d e n i n g a B o o l e a n f u n c t i o n

w i t h 3 i n p u t s : A B C . A m i n i m u m - c o s t s u m - o f - p r o d u c t s r e a l i z a t i o n , o r c o v e r , i s g i v e n b y e x p r e s s i o n

f = A B + A C t h e c o r r e s p o n d i n g A N D - O R c i r c u i t i s s h o w n i n t h e g u r e . C o n s i d e r t h e b e h a v i o r

o f t h e c i r c u i t d u r i n g t h e s i n g l e - i n p u t c h a n g e ( S I C ) f r o m A B C = 0 1 1 t o A B C = 1 1 1 . I n t h i s t r a n s i t i o n ,

o n l y a s i n g l e i n p u t , A , c h a n g e s v a l u e . I n i t i a l l y , A N D - g a t e A B i s 1 , A N D - g a t e A C i s 0 , a n d t h e O R - g a t e

h a s o u t p u t 1 . W h e n A c h a n g e s , A N D - g a t e A B g o e s t o 0 a n d A C g o e s t o 1 . H o w e v e r , i f A N D - g a t e A C

1 3


14/58

0 1

00

01

11

10

A

BC

0

0 0

0

11

1

1

(a)

0 1

00

01

11

10

A

BC

0

0 0

0

11

1

1

(b)

A

B

A

C

A

B

A

C

B

C

1

1

1

1

1

1

11

F i g u r e 4 : C o m b i n a t i o n a l h a z a r d e x a m p l e : S I C t r a n s i t i o n

i s s l o w e r t h a n A B , t h e r e s u l t i s a g l i t c h o n t h e O R - g a t e o u t p u t : 1 ! 0 ! 1 . T h e r e f o r e , t h e c i r c u i t h a s

a h a z a r d f o r t h i s t r a n s i t i o n .

T h e K a r n a u g h m a p i n F i g u r e 4 ( b ) s h o w s a n a l t e r n a t i v e h a z a r d - f r e e r e a l i z a t i o n o f t h e f u n c t i o n .

A t h i r d p r o d u c t , B C , h a s b e e n a d d e d t o t h e c o v e r . F o r t h e s a m e S I C t r a n s i t i o n , A N D - g a t e B C h o l d s

i t s v a l u e a t 1 , a n d t h e O R - g a t e o u t p u t r e m a i n s a t 1 w i t h o u t a n y g l i t c h e s . T h e r e f o r e , t h e n e w c i r c u i t i s

h a z a r d - f r e e f o r t h e t r a n s i t i o n . T h i s n e w p r o d u c t , B C , i s r e d u n d a n t i n t e r m s o f f u n c t i o n f , b u t i s n e c e s s a r y

t o e l i m i n a t e t h e h a z a r d . T h i s p r o d u c t i s u s e d t o c o v e r t h e K - m a p t r a n s i t i o n , A B C : 0 1 1 ! 1 1 1 .

T h e o r i g i n a l t h e o r y o f c o m b i n a t i o n a l h a z a r d s f o r S I C t r a n s i t i o n s w a s d e v e l o p e d b y H u m a n ,

U n g e r a n d M c C l u s k e y ( s e e 2 0 6 ] ) . T h e a b o v e e x a m p l e i n d i c a t e s h o w t o e l i m i n a t e a n S I C s t a t i c - 1 h a z a r d ,

t h a t i s , f o r a n i n p u t c h a n g e w h e r e t h e f u n c t i o n m a k e s a 1 ! 1 t r a n s i t i o n . I n t h i s c a s e , s o m e p r o d u c t

m u s t c o v e r ( i . e . , c o m p l e t e l y c o n t a i n ) t h e e n t i r e t r a n s i t i o n . T h e r e a r e 3 r e m a i n i n g t y p e s o f t r a n s i t i o n s ,

w h e r e t h e o u t p u t m a k e s a 0 ! 0 0 ! 1 , o r 1 ! 0 t r a n s i t i o n . I t h a s b e e n s h o w n t h a t , g i v e n a n a r b i t r a r y

A N D - O R i m p l e m e n t a t i o n , n o h a z a r d w i l l o c c u r f o r a n y o f t h e s e 3 t r a n s i t i o n s 2 0 6 ] .

2

T h a t i s , o n l y

s t a t i c - 1 S I C h a z a r d s m u s t b e a v o i d e d d u r i n g s y n t h e s i s o f a n A N D - O R c i r c u i t o t h e r S I C t r a n s i t i o n s w i l l

b e h a z a r d - f r e e .

4 . 3 . 2 M I C H a z a r d s

T h e c a s e o f a m u l t i p l e - i n p u t c h a n g e ( M I C ) i s m u c h m o r e c o m p l e x : b o t h s t a t i c a n d d y n a m i c h a z a r d s

m u s t b e e l i m i n a t e d . A n M I C t r a n s i t i o n h a s a s t a r t i n p u t v a l u e , M , a n d a d e s t i n a t i o n i n p u t v a l u e , N

w h e r e s e v e r a l i n p u t s c h a n g e m o n o t o n i c a l l y b e t w e e n M a n d N

2

M o r e p r e c i s e l y , t h e s e r e a l i z a t i o n s w i l l b e h a z a r d - f r e e a s l o n g a s n o A N D g a t e c o n t a i n s a p a i r o f c o m p l e m e n t a r y l i t e r a l s .

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(a) (b)

AB

CD CD

AB

1

1

C

D 1

C

D

1

1A

D

B

D

A

D

B

D

A

B1

1

1

F i g u r e 5 : C o m b i n a t i o n a l h a z a r d e x a m p l e : s t a t i c M I C t r a n s i t i o n

T h e r s t p r o b l e m w h i c h a r i s e s w h e n c o n s i d e r i n g M I C t r a n s i t i o n s i s t h a t o f f u n c t i o n h a z a r d s 2 0 6 ] .

C o n s i d e r t h e K a r n a u g h m a p i n F i g u r e 5 ( a ) . A n e x a m p l e o f a n M I C t r a n s i t i o n h a s s t a r t p o i n t A B C D =

0 0 1 0 a n d e n d p o i n t A B C D = 0 1 1 1 , a n d t w o c h a n g i n g i n p u t s : B a n d D . D u r i n g t h i s M I C t r a n s i t i o n ,

t h e f u n c t i o n i t s e l f i s n o t m o n o t o n i c t h a t i s , i t c a n c h a n g e v a l u e s e v e r a l t i m e s . T o s e e t h i s , c o n s i d e r t h e

c h a n g e i n t h e f u n c t i o n ' s v a l u e i f i n p u t D r s t g o e s t o 1 , f o l l o w e d b y i n p u t B . I n i t i a l l y , a t A B C D = 0 0 1 0 ,

t h e f u n c t i o n i s 1 . W h e n D g o e s h i g h , t h e f u n c t i o n c h a n g e s t o 0 . W h e n B t h e n g o e s h i g h , t h e f u n c t i o n

t h e n c h a n g e s t o 1 . T h e r e f o r e , t h e f u n c t i o n i t s e l f c h a n g e s v a l u e m o r e t h a n o n c e . S u c h a n M I C t r a n s i t i o n

i s s a i d t o h a v e a f u n c t i o n h a z a r d

I t h a s b e e n s h o w n t h a t , a s s u m i n g g a t e s a n d w i r e s m a y h a v e a r b i t r a r y d e l a y , t h e r e i s n o g u a r a n -

t e e d m e t h o d t o s y n t h e s i z e a c i r c u i t w h i c h i s h a z a r d - f r e e f o r a t r a n s i t i o n w i t h a f u n c t i o n - h a z a r d 2 0 6 ] .

I n t u i t i v e l y , a f u n c t i o n h a z a r d i s a g l i t c h t h a t i s i n h e r e n t i n t h e K a r n a u g h m a p s p e c i c a t i o n i t s e l f . I f i n p u t

D c h a n g e s m u c h l a t e r t h a n i n p u t B , t h e r e i s n o w a y t o p r e v e n t t h e f u n c t i o n o u t p u t f r o m g l i t c h i n g .

3

I n s u m m a r y , f u n c t i o n h a z a r d s c a n n o t b e a v o i d e d . T h e r e f o r e , c l a s s i c s y n t h e s i s m e t h o d s f o c u s o n l y

o n M I C t r a n s i t i o n s w h i c h a r e a l r e a d y f u n c t i o n - h a z a r d - f r e e . E x a m p l e s a f u n c t i o n - h a z a r d - f r e e t r a n s i t i o n s

a r e s h o w n i n F i g u r e 5 ( a ) . T h e t r a n s i t i o n f r o m A B C D = 0 1 0 0 t o A B C D = 0 1 1 1 i s s t a t i c , s i n c e t h e

o u t p u t r e m a i n s a t a s i n g l e v a l u e ( 1 ) t h r o u g h o u t t h e t r a n s i t i o n . A d y n a m i c t r a n s i t i o n i s s h o w n f r o m

A B C D = 0 1 1 1 t o A B C D = 1 1 1 0 t h i s t r a n s i t i o n i s f u n c t i o n - h a z a r d - f r e e , s i n c e t h e o u t p u t c h a n g e s

e x a c t l y o n c e , f r o m 1 t o 0 , o n a l l d i r e c t p a t h s f r o m t h e s t a r t p o i n t t o t h e e n d p o i n t .

G i v e n a f u n c t i o n - h a z a r d - f r e e M I C t r a n s i t i o n , t h e g o a l o f h a z a r d - f r e e s y n t h e s i s i s t o p r o d u c e a n

A N D - O R c i r c u i t w h i c h i s g l i t c h - f r e e f o r t h e t r a n s i t i o n . I f a g l i t c h c a n o c c u r , t h e t r a n s i t i o n i s s a i d t o

3

A l t e r n a t i v e l y , e v e n i f B a n d D c h a n g e s i m u l t a n e o u s l y , t h e r e a r e a l w a y s d e l a y v a l u e s f o r t h e g i v e n g a t e s t o f o r c e t h e

f u n c t i o n t o d r o p l o w b e f o r e g o i n g h i g h .

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CD

AB

C

D

1

A

D

B

D

A

B1

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(a) (b)

B0 0

F i g u r e 6 : C o m b i n a t i o n a l h a z a r d e x a m p l e : d y n a m i c M I C t r a n s i t i o n

h a v e a l o g i c h a z a r d . I f n o g l i t c h e s a r e p o s s i b l e , t h e t r a n s i t i o n i s l o g i c - h a z a r d - f r e e

S t a t i c - 1 l o g i c h a z a r d s ( i . e . , h a z a r d s d u r i n g a 1 ! 1 t r a n s i t i o n ) c a n b e a v o i d e d i n a n A N D - O R

i m p l e m e n t a t i o n b y u s i n g a n a p p r o a c h s i m i l a r t o t h e S I C c a s e 6 3 ] . A s a n e x a m p l e , c o n s i d e r t h e K a r n a u g h

m a p i n F i g u r e 5 ( a ) . A m i n i m u m - c o s t s u m - o f - p r o d u c t s r e a l i z a t i o n i s : f = C D + A D + B D . C o n s i d e r

t h e M I C t r a n s i t i o n f r o m A B C D = 0 1 0 0 t o A B C D = 0 1 1 1 , i n d i c a t e d b y a n a r r o w . A N D - g a t e s C D a n d

A D e a c h m a k e a 1 ! 0 t r a n s i t i o n , a n d A N D - g a t e B D m a k e s a 0 ! 1 t r a n s i t i o n . I f B D i s s l o w , t h e

r e s u l t i s a g l i t c h o n t h e O R - g a t e o u t p u t : 1 ! 0 ! 1 . T h e r e f o r e , t h e i m p l e m e n t a t i o n h a s a s t a t i c l o g i c

h a z a r d . A n a l t e r n a t i v e h a z a r d - f r e e i m p l e m e n t a t i o n i s s h o w n i n F i g u r e 5 ( b ) . T h e h a z a r d i s e l i m i n a t e d b y

a d d i n g a f o u r t h p r o d u c t t e r m , A B , w h i c h h o l d s i t s v a l u e a t 1 t h r o u g h o u t t h e t r a n s i t i o n . T h i s p r o d u c t

c o v e r s t h e e n t i r e t r a n s i t i o n , A B C D : 0 1 0 0 ! 0 1 1 1 .

T h e n e x t p r o b l e m i s t o e l i m i n a t e s t a t i c - 0 l o g i c h a z a r d s . T h e s e h a z a r d s a r e e a s i l y h a n d l e d

davis nowick intro tr

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