Двухфазная синхронизация

Наиболее просто реализуется двухфазная (двухтактная) система синхронизации, когда схема ЭС тактируется двумя взаимно перемежающимися во времени последовательностями синхроимпульсов (clock pulses).

Достоинством двухфазной синхронизации является возможность применения в схеме любых типов триггеров, в том числе одноступенчатых с управлением уровнем, недостатком – необходимость двух последовательностей синхроимпульсов, сдвинутых по фазе, что усложняет реализацию системы синхронизации.

Структура ЭС с двухфазной системой синхронизации в общем случае имеет вид, представленный на рис. 27.

Все ЦФУ схемы ЭС разделены на два вида: комбинационные схемы (КС) и последовательностные схемы (ПС). Информационные процессы в КС распространяются только в одном направлении – от входов к выходам. Каждая КС получает информацию с выходов одной ПС, синхронизируемой одной фазой синхронизации (одной последовательностью синхроимпульсов), и передает информацию другой ПС, синхронизируемой другой фазой синхронизации (другой последовательностью синхроимпульсов). Именно это позволяет исключить сбои, вызванные гонками во время переходных процессов.

Рис. 27. Структурная схема ЭС с двухфазной синхронизацией

В частном случае, когда все КС не содержат ЦФУ, то информация с выходов одной ПС передается непосредственно на вход другой ПС. Штриховыми линиями на рис. 27 показаны недопустимые связи, последствия которых пояснены ниже.

Система двухфазной синхронизации характеризуется длительностью периода синхроимпульсов Т, длительностью фазового периода Т _ф и длительностью синхроимпульса t _и (рис. 28).

Рис. 28. Временные диаграммы системы двухфазной синхронизации

Для симметричной двухфазной синхронизации справедливо соотношение:

Т = 2 Т _ф.

Принцип работы система двухфазной синхронизации. Для определенности положим, что схемы ПС изменяют свое состояние (срабатывают) по фронту синхроимпульса. Тогда по фронту некоторого синхроимпульса С 1 в момент времени t ₁ схема ПС1 изменяет состояние своих выходов, информация с которых поступает на схему КС2. Выходы схемы КС2 во время переходных процессов искажены гоночными процессами, однако ложные состояния выходов схемы КС2 для схемы ПС2 не опасны, так как синхроимпульс С 2 отсутствует.

За некоторое время до момента времени t ₂, равное времени подготовки данных t _п.д., переходные процессы в схеме КС2 должны закончиться и на ее выходах установятся стабильные уровни (достоверное состояние). Для этого необходимо:

t _{п.д. ПС2} + t _{з.р. КС2} ≤ Т _ф.

Далее по фронту синхроимпульса С 2 в момент времени t ₂ достоверное состояние с выходов КС2 принимается схемой ПС2, состояние выходов которой поступает на схему КС1. Аналогично предыдущему, за некоторое время до момента времени t ₃, равное времени подготовки данных t _{п.д. ПС1}, переходные процессы в схеме КС1 должны закончиться и на ее выходах установится достоверное состояние и т.д.

Таким образом, в схеме ЭС с двухфазной синхронизацией идет циклическая обработка данных. В каждый момент времени одна КС работает, другая находится в режиме ожидания. Затем они меняются ролями. В результате, несмотря на гоночные процессы, протекающие в КС, при наличии времени подготовки данных, информация в ПС будет всегда приниматься достоверная. Для этого нужно лишь, чтобы задержка схем КС была ограничена сверху. Это разработчик при синтезе схемы ЭС может обеспечить, опираясь на паспортные данные ЦФУ.

Для двухфазной системы синхронизации характерно построение схем ПС на триггерах-защелках. Типичными ошибками при синтезе схем в этом случае являются:

- перекрытие синхросигналов С 1 и С 2 во времени. В этом случае информация пройдет последовательно сразу через несколько защелок, управляемых разными последовательностями синхроимпульсов и синхронность работы схемы ЭС будет нарушена;

- неправильное заведение обратных связей при реализации алгоритма работы, имеющего циклы. Для исключения ошибки петля обратной связи, начавшись на выходе ПС, синхронизируемой одной последовательностью синхроимпульсов (одной фазой), должна окончиться на входе другой ПС, синхронизируемой другой последовательностью синхроимпульсов (другой фазой). Связи, передающие сигнал с выхода одной схемы ПС на вход другой схемы ПС, синхронизируемые той же последовательностью синхроимпульсов (той же фазой) недопустимы. Они не обеспечивают поочередной работы схем ПС и потактной обработки и продвижения информации. Такие связи при активном уровне синхросигнала по существу включают последовательно две схемы КС через соединяющую их схему ПС;

- заведены связи: выход КС – вход той же КС, порождающие неуправляемые кольца;

- выход какой-либо КС соединен с ее входом через одну схему ПС, тогда неуправляемое кольцо возникает при активном уровне синхросигнала.

Связи, недопустимые при системе двухфазной синхронизации при использовании схем ПС, построенных на триггерах-защелках, показаны на рис. 27 штриховыми линиями.

Временные соотношения периодов синхроимпульсов и их длительности при двухфазной синхронизации. На выбор длительности периода синхроимпульсов Т, длительности фазового периода Т _ф и длительности синхроимпульсов t_и влияют три группы факторов, связанных с логическим проектированием:

- задержки схем КС;

- тип используемых синхронных триггеров;

- способ распределения синхросигналов по модулям и блокам ЭС.

Рассмотрим влияние этих факторов в отдельности.

Влияние задержки схем КС. Сложность схем КС зависит от решаемых ими задач. В них могут использоваться отдельные КЦФУ с известными значениями задержек, часть схемы разработчик синтезирует сам и, выбирая различные варианты, может влиять на общую задержку схем КС.

Если задержка некоторых КС существенно меньше длительности фазового периода Т _ф, то правильность работы схемы будет обеспечена, однако ее потенциальное быстродействие будет недоиспользовано. Эти схемы КС длительное время будут находиться в режиме ожидания очередного синхросигнала. Если схему ЭС возможно синтезировать так, чтобы КЦФУ с большой задержкой объединить в одну КС, а с малой задержкой – в другую, то можно применить асимметричную двухфазную систему синхронизации, в которой синхроимпульс С 2 размещен не в середине между синхроимпульсами С 1, а смещен ближе к одному из них. Это позволит при тех же задержках КС уменьшить длительность периода синхроимпульсов Т, то есть повысить быстродействие ЭС. Аналогично такому объединению КС возможно объединение ПС.

Если одна из схем КС имеет большую задержку и состоит из последовательно включенных КЦФУ, то ее можно рассечь пополам. Тогда промежуточный результат первой половины КС необходимо запомнить на вспомогательном регистре, а обработку информации продолжить в следующем такте синхронизации. При этом алгоритм работы и его реализация несколько усложняются, но быстродействие ЭС повышается.

Если схема КС с большой задержкой неделима, например, микросхема ПЗУ, задержки которой обычно велики, то вместо увеличения фазового периода Т _ф, что приведет к уменьшению быстродействия, можно сформировать вспомогательную последовательность синхроимпульсов с более длинным периодом. Это можно сделать, например, с помощью делителей частоты.

Для построения быстродействующих ЭС используется многофазная (многотактная) система синхронизации. При этом в зависимости от конкретной задержки каждой КС на схему ПС, принимающую ее результат, можно подавать различные последовательности синхроимпульсов (разные фазы) со своими фазовыми периодами Т _ф и длительностями синхроимпульсов t_и.

Влияние типа используемых синхронных триггеров. Тип используемых триггеров влияет на длительность фазового периода Т _ф, в течение которого должны закончиться все переходные процессы (с учетом времени подготовки данных).

В системе двухфазной синхронизации можно использовать непрозрачные триггеры. В этом случае, если триггеры некоторой ПС переключаются, например, по фронту С -сигнала, то и последующая КС начинает срабатывать по фронту этого же сигнала (через время задержки этой ПС). Тогда время задержки данной КС не должно превышать длительность фазового периода Т _ф (с учетом времени подготовки данных последующей схемы ПС). Кроме того, большинство непрозрачных триггеров из-за возможности гонок по входу чувствительны к завалам фронтов синхроимпульсов.

При использовании в схемах ПС прозрачных защелок длительность переходных процессов в предшествующих схемах КС может превышать длительностью фазового периода Т _ф. Пусть на фронте С 1 в момент времени t ₁ схема ПС1 переключается (рис. 27, 28), после чего начинаются переходные процессы в схеме КС2. Предположим, что задержка КС2 превышает длительность фазового периода Т _ф и переходной процесс в ней заканчивается позже поступления фронта синхросигнала С 2 (момент времени t ₂) на некоторое время D t. В силу прозрачности защелок схемы ПС2 они при активном уровне С 2 будут передавать на вход КС1 все изменения выходов КС2. Тогда, для исключения сбоев в работе ЭС необходимо, чтобы все переходные процессы в КС2 и ПС2 (с учетом времени подготовки и выдержки данных схемы ПС2) были закончены до окончания синхроимпульса С 2.

В триггерах-защелках обычно гонки по входу не возникают. Кроме того, схемотехнически они проще по сравнению с непрозрачными триггерами. Таким образом, в системе двух- и многофазной синхронизации применение прозрачных триггеров предпочтительно.

Совместное использование в системе двухфазной синхронизации прозрачных и непрозрачных триггеров требует тщательного анализа всех переходных процессов в схеме ЭС.

Влияние способа распределения синхросигналов по отдельным модулям и блокам ЭС. Способ распределения синхросигналов существенен при большом числе их потребителей. Разводить синхросигналы от одного мощного источника не рекомендуется, так как сильноточные цепи создают мощные помехи. Поэтому систему синхронизации строят в виде многоярусного дерева, ярусы которого совмещают с конструктивным делением ЭС на модули, блоки и т.д. При этом задержки в цепях каждого яруса будут различными и в общем случае синхросигналы у различных потребителей будут расфазированы, то есть не будут совпадать во времени. Это может вызвать у различных потребителей взаимное смещение, сужение или расширение синхроимпульсов. Для исключения этого явления необходимо рассчитать задержки в цепях ярусов и скорректировать длительность периода синхроимпульсов Т, длительность фазового периода Т _ф и длительность синхроимпульсов t_и.

Кроме влияния рассмотренных трех факторов, связанных с логической схемой ЭС, на выбор тактовой частоты влияют электрические параметры, например, частотные характеристики цепей питания и соединительных линий связи, определяемые конструктивным исполнением ЭС. Кроме того, влияют организационные факторы: требования совместимости с другой аппаратурой, соображения унификации и т.д.