Zeitverhalten synchroner Schaltwerke

ISBN-13: 9783540516804 / Niemiecki / Miękka / 1990 / 312 str.

Hans-Otto Leilich;Uwe Knaak

Opis

Bei immer hoherer Integrationsdichte digitaler Schaltkreise gewinnt das Zeitverhalten der Signale eine immer starkere Bedeutung. Das Buch untersucht systematisch die Zeitablaufe in digitalen, synchron getakteten Schaltwerken. Dazu sind die ublichen graphischen Beschreibungsmittel zu einem hierarchischen Modellierungssystem erweitert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf der Wechselwirkung zwischen Taktversatz (clock skew) und der erreichbaren Taktfrequenz bei verschiedenen Schaltwerk-Konfigurationen. Das Buch spiegelt die Erfahrung der Autoren aus jahrzehntelanger Praxis beim Entwurf von digitalen Systemen wider und bringt die Fulle kleiner Details und "Schaltungstricks," die sonst nur in den Kopfen weniger Schaltungskonstrukteure vorhanden ist, in eine systematische, lehrbare Form. Es existiert kein vergleichbares Werk, in welchem die Grundelemente so streng analysiert und definiert werden und andererseits die daraus gebildeten Systeme ("Schaltwerke") so umfassend dargestellt wurden, dass sie als Basis fur neue Systeme dienen konnen. Angesprochen sind alle Hochschullehrer und Studenten sowie Informatiker und Ingenieure, die sich mit Schaltungsentwurf elektronischer Systeme und mit Rechnerarchitektur befassen."

Spis treści

1 Einleitung.- 1.1 Synchrone und asynchrone digitale Systeme.- 1.2 Überblick und Behandlungsmethodik.- 2 Grundelemente synchroner Systeme.- 2.1 Signaldarstellung.- 2.1.1 Gültigkeitszustände.- 2.1.2 Leitungsbündel.- 2.1.3 Zeitpunkte und Zeitbereiche.- 2.1.4 Takte.- 2.2 Gatter und Netze.- 2.2.1 Statische Transformation.- 2.2.2 Verzögerungselemente.- 2.2.3 Kaskadierung.- 2.2.3.1 Verzahnung.- 2.2.3.2 Bekanntes Betriebsverhalten.- 2.2.3.3 Statistische Addition.- 2.3 Rückgekoppelte Elemente.- 2.3.1 Instabile Rückkopplung.- 2.3.2 Stabile Rückkopplung.- 2.3.3 Basis-Flipflop.- 2.3.4 Zeitparameter des Basis-Flipflops.- 2.4 Isolierstufen.- 2.4.1 Modelldefinition.- 2.4.2 Funktions- und Übergangsphasen.- 2.4.3 Betriebsweisen der Isolierstufe.- 2.4.4 Phänomene bei verschiedenen Anstiegs- und Abfallverzogerungen.- 2.5 Rücksetz-Flipflop.- 2.5.1 Funktionsphasen.- 2.5.2 Übergangsphasen.- 2.6 Betriebsarten in synchronen Systemen.- 2.6.1 Speichern: Kombiniertes Isolieren und Auffangen.- 2.6.2 Synchroner Betrieb.- 2.6.3 Abfolge der Funktionsphasen.- 2.7 Flipflops.- 2.7.1 Taktgesteuertes RS-Flipflop.- 2.7.1.1 Asymmetrische Betrachtungsweise.- 2.7.1.2 Symmetrische Betrachtungsweise.- 2.7.2 D-Flipflop ohne Transparenz.- 2.7.2.1 Betriebsfall mit minimaler Dispersion.- 2.7.2.2 Charakteristische Zeitpunkte beim D-Flipflop.- 2.7.2.3 Flipflop-Element-Parameter.- 2.7.3 Transparentes D-Latch.- 2.7.3.1 Grenzen des Transparenzbereichs.- 2.7.3.2 Flipflop-Parameter.- 2.7.4 Flipflop-Element-Parameter aus Datenbuchangaben.- 2.7.4.1 Flankengetriggertes D-Flipflop.- 2.7.4.2 Pegelgesteuertes D-Flipflop (transparentes D-Latch).- 3 Schaltwerkstrukturen.- 3.1 Prozeßnetze.- 3.1.1 Prozeßstufen.- 3.1.2 Prozeßketten (Pipelines).- 3.1.3 Rückgekoppelte Prozeßketten.- 3.1.4 Einfluß von Transparenz.- 3.1.5 Taktversatz (Skew).- 3.1.6 Stationen und Verbindungen.- 3.1.7 Strukturauswahl und Ergebnisdarstellungen.- 3.2 Einstufige Schaltwerke.- 3.2.1 Einphasige Schaltwerke.- 3.2.1.1 Lokale Prozesse ohne Transparenz.- 3.2.1.2 Verbindungsprozesse ohne Transparenz.- 3.2.1.3 Laufzeitabgleich.- 3.2.1.4 Dynamische Verzögerung.- 3.2.1.5 Einphasige Schaltwerke mit Transparenz.- 3.2.1.6 Einphasige Systeme mit lokalen Stationen.- 3.2.2 Master-Slave-Schaltwerke.- 3.2.2.1 Master-Slave-Schaltwerke ohne Transparenz.- 3.2.2.2 Zusatz-Register.- 3.2.2.3 Taktung von Master-Slave-Schaltwerken.- 3.2.2.4 Transparente Master-Slave-Stufen.- 3.3 Grundbegriffe doppelstufiger Schaltwerke.- 3.3.1 Lokale doppelstufige Schaltwerke ohne Transparenz.- 3.3.2 Transparenz in lokalen doppelstufigen Schaltwerken.- 3.3.2.1 Verzögerter Prozeßstart.- 3.3.2.2 Flexible Prozeßzeitverteilung.- 3.3.2.3 Flexible Taktaufteilung.- 3.3.3 Taktversatz in doppelstufigen Schaltwerken.- 3.3.3.1 Taktrahmen.- 3.3.3.2 Prozeßstartlinien und Betriebsweisen.- 3.4 Doppelstufige Schaltwerke mit einfacher Verbindung.- 3.4.1 Nicht-Transparenz.- 3.4.2 Einfach-Transparenz.- 3.4.3 Doppel-Transparenz.- 3.5 Doppelverbindungs-Schaltwerke.- 3.5.1 Nicht-Transparenz.- 3.5.2 Symmetrischer Betrieb bei Einfach-Transparenz.- 3.5.3 Asymmetrischer Betrieb bei Einfach-Transparenz.- 3.5.4 Doppel-Transparenz.- 3.6 Verbindungswerke bei großem Taktversatz.- 3.6.1 Ketten von Einfachverbindungswerken.- 3.6.2 Ketten von Doppelverbindungswerken.- 3.6.3 Unidirektionaler Kettenring.- 3.6.4 Einfach-Verbindungswerke mit Frequenzteilung.- 3.6.5 Doppel-Verbindungswerke mit Frequenzteilung.- 3.6.6 Asynchrone Übertragung.- 4 Zusammenfassung.- 4.1 Ziele.- 4.2 Probleme.- 4.3 Wege.- 4.4 Schaltwerkkonfigurationen und Trends.- 4.4.1 Einstufige, einphasige Schaltwerke.- 4.4.2 Master-Slave-Schaltwerke.- 4.4.3 Doppelstufige Schaltwerke mit einfacher Verbindung.- 4.4.4 Doppelstufige Schaltwerke mit Doppelverbindung.- 4.4.4.1 Doppelverbindungswerke mit symmetrischem Betrieb.- 4.4.4.2 Doppelverbindungswerke mit asymmetrischem Betrieb.- 4.4.4.3 Doppelverbindungswerke mit Gleichlaufbetrieb.- 4.4.4.4 Darstellung mit konstanter Zykluszeit.- 4.4.5 Verbindungswerke bei großem Taktversatz.- 4.4.5.1 Synchrone Kettenwerke.- 4.4.5.2 Verbindungswerke mit Frequenzteilung.- 4.4.5.3 Asynchrone Übertragung.- 4.5 Beispiel.- 4.5.1 Einphasiges, eintaktiges Schaltwerk (S1).- 4.5.2 Doppelstufiges lokales Schaltwerk (D1C).- 4.5.3 Doppelstufiges Verbindungswerk (D1M).- 4.5.4 Einphasiges, zweitaktiges System (S2).- 4.5.5 Doppelstufiges, zweitaktiges System (D2).- A Ergänzende Betrachtungen zu Gattern und Schaltnetzen.- A.l Einflußparameter auf Schaltverzögerungen.- A.2 Metastabilität.- A.3 Detailbetrachtungen zur Isolierstufe.- A.3.1 Diskussion der Parameterbereiche für die Phasenwechsel der Isolierstufe.- A.3.2 Bestimmung der Transparenzbereichsgrenzen.- A.3.3 Trenddiskussion der Stufenverzögerung.- A.3.4 Dynamischer Speichereffekt.- A.4 Impulsformung mit Gattern und Verzögerungselementen.- B Ergänzende Betrachtungen zu Flipflops.- B.l Sekundär-Signal-Verschiebung beim getakteten RS-Flipflop.- B.l.l Setzvorgang bei rückgesetztem Flipflop.- B.1.2 Setzvorgang bei gesetztem Flipflop.- B.1.3 Rücksetzvorgang bei gesetztem Flipflop.- B.l.4 Rücksetzvorgang bei rückgesetztem Flipflop.- B.2 Spezielle Betriebsweisen beim D-Flipflop.- B.2.1 D-Flipflop mit s-Übergang.- B.2.2 RTZ-D-Flipflop.- B.3 Gegenüberstellung verschiedener Flipflop-Typen.- B.4 Beispiele zur Bestimmung der Flipflop-Parameter aus Datenbuchangaben.- B.4.1 Zeitparameter für flankengetriggerte Flipflops.- B.4.2 Zeitparameter für transparente Latches.- C Statistische Betrachtung der Verzogerungen.- C.l Die Normalverteilung.- C.2 Statistische Addition von Gatterverzögerungen.- C.2.1 Elemente mit gleichem statistischem Verhalten.- C.3 Statistische Beschreibung von Prozeßzeiten.- C.3.1 Nicht-transparente Schaltwerke.- C.3.2 Transparente Kopplung statistischer Prozesse.- C.3.2.1 Allgemeiner Ansatz.- C.3.2.2 Abschätzung am Beispiel des einstufigen Schaltwerks.- L.1 Bücher und Nachschlagwerke.- L.2 Flipflops.- L.3 Taktung von Schaltwerken.- L.4 Simulation und Timing-Analyse.- L.5 Busse und Verbindungen.- L.6 Metastabilität.- L.7 Synchronisation und Asynchrone Systeme.- L.8 Statistisches Zeitverhalten.