Kurzfassung - Fakultät für Informatik, TU Wien

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

Title: Asynchronous Logic in Real-Time Systems
Author: Markus Ferringer
Supervisor & Reviewer: Andreas Steininger, Gerhard Fohler
Abstract
While asynchronous logic has many potential advantages compared to traditional synchronous
designs, one of the major drawbacks is its unpredictability with respect to temporal behavior. Having
no high-precision oscillator, a self-timed circuit's execution speed is heavily dependent on
temperature and supply voltage. Small fluctuations of these parameters already result in noticeable
changes of the design's throughput and performance. Without further provisions this jitter makes
the use of asynchronous logic hardly feasible for real-time applications. In this work, which is part of
project ARTS (Asynchronous Logic in Real-Time Systems), we investigate the temporal characteristics
of self-timed circuits regarding their usage in real-time systems, especially the Time-Triggered
Protocol. We propose a timing model capable of dealing with deterministic as well as probabilistic
timings caused - besides others - by PVT (process, voltage, temperature) variations, and elaborate
self-adapting circuits which shall derive a suitable notion of time for an asynchronous TTP controller.
Out of the proposed variants we find the simple LFSR (linear feedback shift register) implementation
with rate correction most promising for our purposes. We further introduce and analyze the jitter
compensation concept, which is a three-fold mechanism to keep the asynchronous circuit's notion of
time tightly synchronized to the remaining communication participants. To demonstrate the
robustness of our solution, we perform different tests and investigate their impact on jitter and
frequency stability. These tests include, e.g., varying operating temperature, changing core supply
voltage, and process variations among several devices of the same type.
The experiments in combination with the theoretical analysis reveal some interesting insights for the
temporal behavior of self-timed circuits: Even though the used design style is strongly indicating,
considerable data-dependent jitter effects can be identified. It also turns out that process variations
significantly influence the jitter characteristics and performance of asynchronous circuits.
Nevertheless, the proposed self-adaptive time reference generation circuit is capable of tolerating
different temporal conditions. Measurements with the fully functional asynchronous TTP controller
reveal that it is indeed possible to use asynchronous logic in real-time systems. However, there are
some major limitations (especially for actively sending messages in a time-triggered system) that
must be considered.