基于時(shí)鐘移位的動(dòng)態(tài)寄存器設(shè)計(jì)與二進(jìn)制序列的實(shí)現(xiàn)

劉蓉

（揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225002）

在現(xiàn)代超大規(guī)模集成(VLSI)技術(shù)中，高速性能是最重要特性之一。通過在超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中引入高速算法，可以做到在數(shù)據(jù)處理中是非常小的延遲。一般高性能集成電路的特點(diǎn)是它們工作時(shí)的時(shí)鐘頻率較高。因此，高速設(shè)計(jì)可以提高各設(shè)計(jì)階段的性能。時(shí)鐘信號(hào)由同步性元件執(zhí)行，如觸發(fā)器(FF)或鎖存器，其如何操作取決于所應(yīng)用的時(shí)鐘脈沖。在實(shí)際計(jì)算的系統(tǒng)中可能存在兩種計(jì)時(shí)錯(cuò)誤，即保持時(shí)間違例和設(shè)置時(shí)間違例。當(dāng)輸入信號(hào)在時(shí)鐘主動(dòng)轉(zhuǎn)換后變化太快時(shí)，就會(huì)發(fā)生時(shí)間步長的計(jì)算錯(cuò)誤。在設(shè)定時(shí)間誤差時(shí)，信號(hào)到達(dá)太晚，錯(cuò)過了應(yīng)該提前的時(shí)間。信號(hào)到達(dá)時(shí)間的變化有很多原因，是輸入數(shù)據(jù)的變化、電路的不同操作、溫度和電壓的變化以及設(shè)計(jì)中各個(gè)部分的特性參數(shù)差異導(dǎo)致的。

人們?cè)啻螄L試?yán)没煦绗F(xiàn)象產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，尤其采用一維混沌映射來設(shè)計(jì)出各種類型的混沌序列。在蒙特卡羅模擬中，隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生是最重要的環(huán)節(jié)。此外，為了提高蒙特卡羅模擬的準(zhǔn)確性，我們需要周期很長的隨機(jī)數(shù)，最好是無限周期的物理隨機(jī)數(shù)。產(chǎn)生具有特定統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的非周期隨機(jī)數(shù)的方法之一是后處理物理隨機(jī)數(shù)或模擬混沌電路產(chǎn)生的非周期隨機(jī)數(shù)。例如，我們提出了使用LFSR(線性反饋移位寄存器)生成相關(guān)二進(jìn)制序列的后處理方法，其中利用了混沌理論的伯努利映射。然而，這種基于LFSR 的后處理生成的二進(jìn)序列的自相關(guān)函數(shù)并不是指數(shù)消失的，即它們不是馬爾科夫二進(jìn)序列。

1 新移位寄存器方法構(gòu)建

1.1 保持模式觸發(fā)器

HM-FF 觸發(fā)器的單時(shí)鐘脈沖基于掃描寄存器，使用3 個(gè)復(fù)用器組成D-FF，如圖1 所示。

圖1 保持模式觸發(fā)器

圖2 無保持模式觸發(fā)器

與D-FF 等其他觸發(fā)器相比，具有保持模式(HM-FF)的單時(shí)鐘脈沖多一個(gè)輸入和一個(gè)輸出。除了時(shí)鐘和Din (數(shù)據(jù)輸入)，scan-enable(scen)存在。Scan-output (Sout)是額外添加的輸出。內(nèi)部邏輯提供以保持模式運(yùn)行的寄存器，它可以繞過寄存器直接驅(qū)動(dòng)(Scin)的值。

而無保持模式單時(shí)鐘脈沖(WHMFF) 觸發(fā)器基于掃描寄存器，使用2 個(gè)多路復(fù)用器形成D-FF，如圖2 所示。與傳統(tǒng)的D-FF 相比，單時(shí)鐘脈沖無保持模式(WHMFF)觸發(fā)器多一個(gè)輸入和一個(gè)輸出。除了時(shí)鐘和Din (Data in)，還有scan-enable(Scen)。Scan-output (Sout)是額外添加的輸出。它被用來減少保持模式(HM)觸發(fā)器的單時(shí)鐘脈沖的面積。

1.2 移位架構(gòu)

采用單時(shí)鐘脈沖保持模式(HM-FF)觸發(fā)器可以構(gòu)造串行輸入串行輸出(SISO)移位寄存器。這種類型的移位寄存器串行地接收數(shù)據(jù)，即一次接收一位數(shù)據(jù)，并在其輸出上串行地產(chǎn)生存儲(chǔ)的信息。這里，四個(gè)具有保持模式(HM-FF)觸發(fā)器的單時(shí)鐘脈沖級(jí)聯(lián)。由于每個(gè)HM- FF 只能存儲(chǔ)一位，寄存器最多可以存儲(chǔ)四位。更多的觸發(fā)器可以級(jí)聯(lián)存儲(chǔ)超過4 位。時(shí)鐘在一個(gè)時(shí)間內(nèi)應(yīng)用于所有觸發(fā)器同步計(jì)時(shí)。另外還有一個(gè)信號(hào)叫掃描使能信號(hào)，它有兩行選擇信號(hào)，掃描使能信號(hào)選擇輸出信號(hào)。使用Scan enable 的主要優(yōu)點(diǎn)是它在一個(gè)時(shí)間內(nèi)只選擇特定的輸出，從而減少了定時(shí)延遲。

雖然鎖存可以用來替換FFs，但由于其寬透明窗口，出現(xiàn)了定時(shí)限制。因此，PL RFs 可以在FF 和latch RFs 之間提供最佳的折衷，因?yàn)樗鼈兊亩〞r(shí)模型接近FFs，同時(shí)它們消耗更少的面積和電力。唯一額外的開銷是增加脈沖發(fā)生器。然而，這個(gè)開銷很小，因?yàn)橄嗤拿}沖將在相同寄存器的鎖存器之間共享。此外，由于脈沖電路控制鎖存的透明度，它可以取代FF RFs 寫入邏輯所需的時(shí)鐘門控單元。

2 動(dòng)態(tài)電平結(jié)果及二進(jìn)制序列

2.1 動(dòng)態(tài)電平實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Xilinx Virtex 6 低功耗系列，對(duì)采用D-FF、單時(shí)鐘脈沖保持模式 (HM-FF) 觸發(fā)器和單時(shí)鐘脈沖無保持模式(WHM-FF)觸發(fā)器的移位寄存器進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析比較。從設(shè)計(jì)中得到的延遲比較如下。

圖3 觸發(fā)器的延遲比較圖

使用UMC 28nm 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有不同寄存器數(shù)目的普通32 位射頻。由于SRAM 的位元是用最小的尺寸設(shè)計(jì)的，由標(biāo)準(zhǔn)單元組成的存儲(chǔ)單元預(yù)計(jì)會(huì)大得多。然而，對(duì)于小尺寸的RFs,SRAM 外圍電路的區(qū)域開銷可能非常大。比較不同的實(shí)現(xiàn)，基于PL 的RFs 的面積總是比對(duì)應(yīng)的FF 要小20%以上。與SRAM 相比，區(qū)域上的差異將取決于寄存器的數(shù)量。對(duì)于32 字RF, PL RF 的面積比SRAM 高出17%。

2.2 二進(jìn)制序列

假設(shè)我們有如圖3 所示的具有正或負(fù)自相關(guān)的非周期隨機(jī)二進(jìn)制序列，將其輸入到所提出的后處理電路中。目標(biāo)是(p1,p2) =(1/4,1/4)和(p1,p2) =(3/4,3/4)的2 態(tài)馬爾可夫源。

二值序列后處理后的自相關(guān)函數(shù)，在這些k = 4 的情況下，我們發(fā)現(xiàn)一些較大的誤差。另一方面在k = 10 的情況下，我們找不到這樣的誤差。為了研究誤差與k 之間的關(guān)系，我們使用自相關(guān)函數(shù)與相應(yīng)的理論自相關(guān)函數(shù)MSE。

2.3 新型寄存器方案特點(diǎn)

與傳統(tǒng)寄存器方案相比，多端口RFs 是超標(biāo)量微處理器的關(guān)鍵部件。然而，隨著端口數(shù)量的增加，面積和功耗都顯著增加。多端口sram 的直接實(shí)現(xiàn)方式是增加更多的接入晶體管。因此，位單元需要更大的尺寸。加上多余的字行和位行布線，內(nèi)存大小可以隨端口的總數(shù)呈二次增長。為了減少面積，使用了兩種技術(shù):時(shí)間多路復(fù)用和陣列復(fù)制。在時(shí)間多路復(fù)用中，同一個(gè)端口可以在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被訪問多次。在數(shù)組復(fù)制中，內(nèi)存數(shù)組被復(fù)制到兩個(gè)或多個(gè)銀行，每個(gè)銀行都有一些讀端口，同時(shí)共享相同的寫端口。類似地，標(biāo)準(zhǔn)單元RFs 可以擴(kuò)展為具有多個(gè)讀和寫端口。

由于PL 操作依賴于使用脈沖發(fā)生器，這些脈沖發(fā)生器可以在相同的時(shí)鐘周期內(nèi)多次訪問相同的寄存器。此外，還可以將其他脈沖發(fā)生器分組，對(duì)讀或?qū)戇^程執(zhí)行一些必要的控制操作。這將導(dǎo)致?lián)碛幸粋€(gè)具有許多虛擬端口的RF，這些虛擬端口由數(shù)量少得多的物理端口生成，使用一些控制邏輯用于讀和寫端口。在這些控制邏輯中，除了保存一些中間數(shù)據(jù)如內(nèi)部讀寫地址和數(shù)據(jù)外，還使用不同的脈沖組來產(chǎn)生所需的控制信號(hào)。

3 結(jié)論

在本文中簡要地研究了不同的寄存器文件實(shí)現(xiàn)，比較了用SRAM 和觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)1R1W 寄存器文件的傳統(tǒng)方法，提出了一種適用于小尺寸寄存器文件的脈沖鎖存實(shí)現(xiàn)及基于動(dòng)態(tài)MCML三態(tài)緩沖區(qū)的動(dòng)態(tài)寄存器。對(duì)所提出的寄存器的檢查表明，在存在時(shí)鐘重疊時(shí)所提出的寄存器的行為會(huì)發(fā)生偏差，因此提出了兩種處理方法。為了實(shí)現(xiàn)高速設(shè)計(jì)，討論了不同的觸發(fā)器和移位寄存器。提出了利用單時(shí)鐘脈沖保持模式(HM-FF)觸發(fā)器、無保持模式(WHM-FF)觸發(fā)器和移位寄存器實(shí)現(xiàn)D-FF 的各種實(shí)現(xiàn)方法。比較了各模型靜態(tài)時(shí)序分析的各個(gè)方面。該方法針對(duì)Xilinx Virtex 6 族，在速度上有一定的提高。與現(xiàn)有方法相比，該方法可減少41.9%的延遲。仿真結(jié)果表明，當(dāng)k 足夠大時(shí)，所提出的后處理電路可以產(chǎn)生馬爾可夫二值序列。此外，簡要討論了多端口寄存器的文件結(jié)構(gòu)，并介紹了一種新的脈沖鎖存器實(shí)現(xiàn)。與其他實(shí)現(xiàn)相比，提出的虛擬端口實(shí)現(xiàn)在面積和電力方面都有巨大的節(jié)省。