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《重庆大学》 2018年
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可逆及超并行异步电路设计

叶娅慧  
【摘要】:众所周知,随着科技的发展,同步电路的规模越来越大,功能越来越复杂,与此同时电路中时钟偏移、能耗和时序收敛等问题也日益突显出来。在这种情况下,许多研究者也开始研究更加低耗高效的电路,其中异步电路以低功耗、运行速度快、电磁兼容性好、可靠性强、可避免时钟偏移等优点受到更广泛的关注。本文是以异步电路的其中一种——延迟不敏感电路进行设计模拟生命游戏规则,证明了其并行能力。另一方面,可逆电路作为量子计算的基础,它保证零功耗,也是一个热门的研究领域。本文也以可逆计算作为基础,设计了一个基于二元决策图的可逆电路。这两个电路都很好地体现了模块化、可扩展的电路设计思想。异步电路在电路设计中不需要中央时钟信号,系统各模块之间的数据交换通过握手过程完成。延迟不敏感电路是一类特殊的异步电路,无论模块或者信号在传输线中怎样延时,电路都会正确工作。与传统逻辑电路相似,任意延时不敏感电路都可由一组固定的延时不敏感电路基础模块构成。可逆计算是在研究逻辑计算与能量损耗的过程中被发现的,计算的可逆性保证了计算过程中信息无损耗从而到达零能耗。与传统的可逆逻辑门不同,可逆逻辑元件是一个抽象模块,它需要有限数量的输入和输出线,并且内部包含一个存储器可记录有限数量的状态。本文根据前人在同步电路上所做工作的基础上进行了电路设计,异步电路的设计中避免了由同步电路设计带来的缺点。本文所做工作如下:(1)设计实现了生命游戏规则的延迟不敏感电路。细胞自动机在形式上常作为并行计算的理论模型来研究,生命游戏是一个典型的细胞自动机,本文设计了能够有效模拟生命游戏细胞(自动机)的异步电路模块,通过简单的同步机制将大量的模块按照统一的、按邻域连接方式连接成可扩展的异步电路,实现与生命游戏同等的超并行计算能力。(2)设计了一个基于二元决策图(Binary Decision Diagram,BDD)结构的可逆逻辑电路,它能够将不可逆的布尔函数变成可逆的逻辑电路。本文通过将布尔函数的输入变量也复制输出,使得一个不可逆的布尔函数变为可逆的。电路中设计了对应于每个BDD中决策节点的可逆逻辑模块,可以将其按照BDD结构相连接,尽可能地保留了BDD紧凑的结构,同时实现了可逆逻辑。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM13

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