Bus kodlama - Bus encoding

Bus kodlama bir veri parçasını başka bir forma dönüştürmek / kodlamak anlamına gelir. otobüs. Veriyolu kodlama, pin sayısını azaltmak, iletilecek verileri sıkıştırmak, bit hatları arasındaki çapraz konuşmayı azaltmak gibi çeşitli amaçlara hizmet etmek için kullanılabilirken, dinamik gücü azaltmak için sistem tasarımında kullanılan popüler tekniklerden biridir. tarafından tüketilen sistem veriyolu.[1][2] Veriyolu kodlama, Hamming mesafesi otobüste 2 ardışık değer arasında. Faaliyet doğrudan orantılı olduğundan Hamming mesafesi, veriyolu kodlamanın genel aktivite faktörünü azaltmada etkili olduğu ve böylece sistemdeki dinamik güç tüketimini azalttığı kanıtlanır.

Bu makale bağlamında, bir sistem, verilerin bir öğeden diğerine veri yolu üzerinden aktarıldığı herhangi bir şeye atıfta bulunabilir (yani. Çip Üzerinde Sistem (SoC), bir bilgisayar sistemi, bir yerleşik sistem gemide, vb.).

Motivasyon

Elektronik sistemlerde güç tüketimi, aşağıdaki nedenlerden dolayı günümüzde bir endişe konusudur:

  1. Pille çalışan cihazlar: Pille çalışan cihazların her yerde bulunması ve pilin sonraki iki şarjı arasındaki sürenin en üst düzeye çıkarılması ihtiyacı nedeniyle, sistemin mümkün olduğunca az güç (ve enerji) tüketmesi gerekir.
  2. Çevresel kısıtlamalar: Çevreyi korumak için kullanılabilir enerjiyi korumamız gerekiyor. Elektronik sistemler tarafından tüketilen enerji büyük ölçüde arttığından, elektronik sistemlerin enerji tüketimini en aza indirmek çevreyi korumak için kritik önem taşır.
  3. Güç dağılımı: Göre Moore yasası yarı iletken cihazlar, daha küçük alanda giderek daha fazla transistör paketliyor. Bu, birim alan başına daha yüksek güç dağılımına yol açar ve paketleme ve termal soğutma sistemi tasarımını karmaşık ve maliyetli hale getirir. Bu nedenle, bu sorunu çözmek için düşük güçlü elektronik sistemlere ihtiyaç vardır.

Bir elektronik devre tarafından dağıtılan dinamik güç, mantık geçidinin çıktısında görüldüğü gibi aktivite faktörü ve yük kapasitansı ile doğru orantılıdır. Bir veri yolu durumunda, veri yolunun birden fazla modüle bağlanması ve daha uzun süre yönlendirilmesi gerektiğinden ve etkinlik faktörü de yüksek olduğundan yük kapasitesi genellikle yüksektir. Tipik bir sistemde daha yüksek yük kapasitesi ve etkinlik faktörü değeri nedeniyle, veri yolu güç tüketimi toplam güç tüketiminin% 50'sine kadar katkıda bulunabilir. Veri yolu kodlaması, veri yolu hatlarındaki etkinlik miktarını (geçiş sayısını) azaltarak bu gücü azaltmayı amaçlamaktadır. Belirli bir sistem için kullanılacak veriyolu kodlama türü, sistemle ilgili hedef uygulama ve çevresel kısıtlamalar önceden bilindiğinde en iyi şekilde belirlenebilirken, aşağıda birçok sistem için veriyolu gücünü azaltmaya yardımcı olabilecek bazı veri yolu kodlama teknikleri anlatılmaktadır.

Bu nedenle veri yolu kodlaması, herhangi bir elektronik sistem tasarımı için önemlidir.[kaynak belirtilmeli ]

Düşük güç elde etmek için veri yolu kodlama örnekleri

Aşağıda, farklı senaryolarda dinamik güç tüketimini azaltmak için veri yolu kodlamasını kullanan uygulamalardan bazıları verilmiştir:

  1. Gri kodlama:[3] Bilgi işlem sistemlerinin çoğunda bir veriyolunun adres hatları, birbirini izleyen sayısal değerlerde artar. mekansal yerellik. Veriyolu için normal ikili kodlama kullanırsak, ardışık 2 adres arasında minimum Hamming mesafesinden emin değiliz. Adres hatlarını kodlamak için Gray kodlarının kullanılması, herhangi bir 2 ardışık adres veriyolu değeri arasında 1 Hamming mesafesine yol açacaktır (uzamsal konum olduğu sürece). Gecikme ek yükünü azaltmak için bu şemada Kaydırılmış Gri kodlama adlı varyasyonlar vardır.[4]
  2. Sıralı adresleme veya T0 kodları:[5] Adres veriyolu durumunda, programlarda bulunan uzamsal yerellik nedeniyle, geçişlerin çoğu adresi bir sonraki ardışık değere değiştirmeyi içerir. Olası bir kodlama şeması, veriyolunda mevcut geçişin bir sonraki artış adresi olup olmadığını gösteren ek bir hat (INC) kullanmaktır. Ardışık bir adres değilse, alıcı veri yolundaki değeri kullanabilir. Ancak bu ardışık bir adres ise, vericinin veriyolundaki değeri değiştirmesi gerekmez, sadece INC hattını 1'e ileri sürer. Böyle bir durumda, sürekli bir adresleme şeması için, veri yolunda hiçbir geçiş yoktur ve 0'lık bir veri yolu etkinlik faktörü.
  3. Sayı gösterimi: Verisinden birini bir sensörden alan bir sistem örneğini düşünün. Çoğu zaman, sensör bir miktar gürültüyü ölçüyor olabilir ve bu örnek için, ölçülen değerlerin alternatif olarak (0) ve (-1) olduğunu düşünün. 32 bitlik bir veri yolu için 0 değeri, 0x00000000 (0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000) anlamına gelirken (-1), 2’nin tamamlayıcı gösteriminde 0xFFFFFFFF (1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111) olarak çevrilir. Bu durumda Hamming mesafesinin 32 olduğunu görüyoruz (çünkü tüm 32 bitler durumlarını değiştiriyor). Bunun yerine, veri yolunu işaretli tamsayı gösterimini kullanacak şekilde kodlarsak (MSB işaret bitidir), 0'ı 0x00000000 (0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000) ve -1'i 0x80000001 (1000 0000 0000 0000 0000 0000 0001) olarak gösterebiliriz . Bu durumda, sayılar arasındaki Hamming mesafesinin sadece 2 olduğunu görürüz. Bu nedenle, işaretli aritmetik kodlamaya bir 2'nin tamamlayıcısı kullanarak, aktiviteyi 32 faktöründen 2'ye indirebiliriz.
  4. Ters çevirme kodlaması:[6][7] Bu, veri yolu hatlarına INV adlı ek bir satırın eklendiği başka bir veri yolu kodlama uygulamasıdır. INV çizgisinin değerine bağlı olarak, diğer çizgiler ters çevrilerek veya ters çevrilmeden kullanılacaktır. Örneğin. INV satırı 0 ise, veri yolundaki veriler olduğu gibi örneklenir, ancak INV satırı 1 ise, veri yolundaki veriler üzerinde herhangi bir işlem yapılmadan önce tersine çevrilir. 3'te kullanılan örneğe istinaden, işaretli bir tamsayı gösterimi kullanmak yerine, 2'nin tümlemesini kullanmaya devam edebilir ve ters çevirme kodlamasını kullanarak aynı aktivite azaltımını elde edebiliriz. Dolayısıyla, 0 INV = 0 ile 0x00000000 olarak ve -1 INV = 1 ile 0x00000000 olarak temsil edilecektir. INV = 1 olduğundan, alıcı veriyi tüketmeden önce tersine çevirecek ve böylece dahili olarak 0xFFFFFFFF'a çevirecektir. Bu durumda, veri yolu üzerinden yalnızca 1 bit (INV bit) değiştirilerek faktör 1 etkinliğine yol açar. Genel olarak, ters çevirme kodlamada, kodlayıcı, mevcut değer ile sonraki değer arasındaki Hamming mesafesini hesaplar ve buna dayanarak, INV = 0 veya INV = 1 kullanmak için.
  5. Değer önbellek kodlaması:[8] Bu, öncelikle harici (çip dışı) Veri yolları için kullanılan başka bir Veri Yolu kodlama biçimidir. Yaygın olarak paylaşılan veri modellerinin bazıları hakkında hem gönderen hem de alıcı tarafında bir sözlük (değer önbelleği) tutulur. Veri modellerini her seferinde geçirmek yerine, gönderici, alıcı ucunda değer önbelleğinden hangi girişin kullanılacağını belirten bir biti değiştirir. Yalnızca değer önbelleğinde bulunmayan değerler için, verilerin tamamı veri yolu üzerinden gönderilir. Değer önbelleği için isabetleri en üst düzeye çıkarmak amacıyla bu tekniğin çeşitli değiştirilmiş uygulamaları olmuştur, ancak temel fikir aynıdır.[9][10]
  6. Diğer teknikler sektör tabanlı kodlama gibi,[11] tersine kodlama varyasyonları da önerilmiştir. Yol gecikmeleri üzerinde minimum etkiyle paraziti azaltmanın yanı sıra kaçak güç tüketimini azaltan veri yolu kodlamalarının kullanılması üzerine çalışmalar yapılmıştır.[12][13]

Diğer veri yolu kodlama örnekleri

Çeşitli nedenlerle başka birçok veri yolu kodlama türü geliştirilmiştir:

  • geliştirilmiş EMC: diferansiyel sinyalleşme birçok otobüste kullanılır ve daha genel sabit ağırlık kodu MIPI C-PHY'de kullanılır Kamera Seri Arayüzü[14] hem dış parazitlere karşı daha dayanıklıdır hem de diğer cihazlara daha az parazit yayar.
  • veriyolu çoklama: Birçok erken mikroişlemci ve birçok erken DRAM yongası, her adres bitine ve veri bitine bir pin ayırmak yerine veri yolu çoğullama kullanarak maliyetleri düşürdü. sistem veriyolu. Bir yaklaşım, veri yolu pinleri için farklı zamanlarda adres veriyolu pinlerini yeniden kullanır. geleneksel PCI. Başka bir yaklaşım, birçok kişi tarafından kullanılan bir yaklaşım olan adres veriyolunun üst yarısı ve alt yarısı için aynı pinleri farklı zamanlarda yeniden kullanır. Dinamik Rasgele Erişim Belleği çipler, kontrol veriyoluna 2 pim ekleyerek - bir satır adresli flaş (RAS) ve sütun adresli flaş (CAS).


Uygulama yöntemi

SoC tasarımları söz konusu olduğunda, veri yolu kodlama şemaları, veriyolu üzerinden özel kodlayıcılar ve kod çözücüler başlatılarak en iyi RTL'de uygulanabilir. Uygulamanın başka bir yolu da sentez aracına simülasyonun izi olarak ipucu iletmektir.[15] veya gerekli kodlama türünü tanımlamak için sentez pragması kullanarak.

Kart üzerinde, kodlama ve kod çözme işlevlerini uygulamak için veri yolu üzerindeki ana ve bağımlı modüller arasına küçük bir düşük güçlü IC yerleştirilebilir.

Kodlama işlevinin özellikleri

Veriyolu kodlama / kod çözme işlevi bir birebir örten. Bu, temelde aşağıdaki davranışa sahip kodlama işlevini gerektirir:[3]

  1. Veriyolunda başlatılacak her verinin benzersiz bir kodlanmış değeri olmalıdır ve kodlanan her değer benzersiz bir şekilde aynı orijinal değere çözülmelidir.
  2. Kaynak tarafından üretilebilecek tüm değerlerin kodlanması ve kodunun çözülmesi mümkün olmalıdır.

Takas / analiz

  • Veri yolu kodlamasının eklenmesi, veri yolu üzerindeki etkinlik faktörünü azaltır ve dinamik güçte azalmaya neden olurken, veri yolu etrafına kodlayıcı ve kod çözücülerin eklenmesi, tasarıma belirli miktarda dinamik güç tüketen ek devrelerin eklenmesine neden olur. Güç tasarrufunu hesaplarken bunu hesaba katmalıyız.
  • Ek devre ayrıca tasarım / devre / sistem / SoC'nin kaçak gücünü artıracaktır. Sistem veriyolunun temel aktivite faktörü çok yüksek değilse, veri yolu kodlama, daha yüksek kaçak güç nedeniyle genel enerji tüketimini düşüreceğinden çok uygun bir seçenek olmayabilir.
  • Veriyolu zamanlaması kritik veri yolunda ise, yola ilave devre eklenmesi zamanlama yolunu bozar ve zararlı olabilir. Ne tür veri yolu kodlamasının kullanılacağını belirlemek için bu analizin dikkatlice yapılması gerekir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Pedram, Mesut; Abdollahi, A., Düşük Güç RT Seviyesi Sentez Teknikleri: Bir Öğretici (PDF)
  2. ^ Devadas; Malik (1995), "Düşük Güçlü VLSI Devrelerini Hedefleyen Optimizasyon Teknikleri Araştırması", DAC 32: 242–247
  3. ^ a b Cheng, Wei-Chung; Pedram, Mesut, Düşük Güç için Bellek Veriyolu Kodlaması: Bir Eğitim (PDF)
  4. ^ Guo, Hui; Parameswaran, Sri (Nisan – Haziran 2010). "Düşük güçlü gömülü sistemler için komut belleği adres veriyolu anahtarlamasını azaltmak için Gri kodlama değiştirildi". Sistem Mimarisi Dergisi. 56 (4–6): 180–190. doi:10.1016 / j.sysarc.2010.03.003.
  5. ^ Benini, Luca; De Micheli, Giovanni; Macii, Enrico; Sciuto, D .; Silvano, C. (Mart 1997). "Düşük Güçlü Mikroişlemci Tabanlı Sistemlerde Adres Yolları için Asimptotik Sıfır Geçiş Aktivitesi Kodlaması". Bildiriler VLSI için Yedinci Büyük Göller Sempozyumu: 77–82.
  6. ^ Stan, Mircea R .; Burleson Wayne P. (Mart 1995). "Düşük Güç G / Ç için Bus-Invert Kodlama". Çok Büyük Ölçekli Entegrasyon (VLSI) Sistemlerinde IEEE İşlemleri. 3 (1): 49–58. CiteSeerX  10.1.1.89.2154. doi:10.1109/92.365453. 1063-8210/95$04.00.
  7. ^ http://www.eng.auburn.edu/~agrawvd/COURSE/E6270_Fall07/PROJECT/JIANG/Low%20power%2032-bit%20bus%20with%20inversion%20encoding.ppt. Eksik veya boş | title = (Yardım)
  8. ^ Yang, J .; et al. (Ağustos 2001). "Düşük güçlü veri G / Ç için FV kodlaması". 2001 Islped: 84–87.
  9. ^ Basu; et al. (2002). "Güç protokolü: çip dışı veri yollarında güç tüketimini azaltır". MİKRO.
  10. ^ Lin, C.-H .; et al. (2006). "Çip Dışı Veri Yolu için Hiyerarşik Değer Önbellek Kodlaması". ISLPED.
  11. ^ Ağağiri, Yazdan; Fallah, Farzan; Pedram, Mesut. "Sektör Tabanlı Kodlama Teknikleri Kullanılarak Bellek Yollarında Geçiş Azaltma" (PDF).
  12. ^ Deogun, H .; Rao, R .; Sylvester, D .; Blaauw, D. (Haziran 2004). "Toplam güç azaltımı için sızıntı ve karışma duyarlı veriyolu kodlaması". 41. Tasarım Otomasyonu Konferansı Bildirileri: 779–782.
  13. ^ Khan, Z .; Arslan, T .; Erdoğan, A. (Ocak 2005). "AMBA tabanlı jenerik SoC sistemleri için enerji ve çapraz konuşma verimliliği perspektifinden yeni bir veri yolu kodlama şeması". 18. Uluslararası VLSI Tasarımı Konferansı Bildirileri: 751–756.
  14. ^ "MIPI C-PHY / DPHY Alt Sisteminin Gizemini Çözme - Ödünleşmeler, Zorluklar ve Benimseme" (ayna )
  15. ^ Benini, Luca; De Micheli, Giovanni; Macii, Enrico; Poncino, Massimo; Quer Stefano (Aralık 1998). "Adres Veriyolu Kodlamayla Çekirdek Tabanlı Sistemlerin Güç Optimizasyonu" (PDF). Çok Büyük Ölçekli Entegrasyon (VLSI) Sistemlerinde IEEE İşlemleri. 6 (4).

daha fazla okuma