Technische Informatik II

Präsentation zum Thema: "Technische Informatik II"—  Präsentation transkript:

1 Technische Informatik II
(für Bachelor) INF 1211 Vorlesung 12: Synchronisation und Metastabilität , v8 Prof. W. Adi Themen: Daten-Synchronisation Metastabilität und praktische Lösungen Quelle: überwiegend aus MIT in modifizierter Form

2 Flipflop-Zeitverhalten
Einzuhaltende Zeitverhältnisse für korrekten Betrieb D1 Übernahmeflanke D1 tPD: Verzögerungszeit CLK  Q tCD: minimale Kontaminationszeit tSETUP: Setup time, Mindestzeit damit die Eingangsdaten alle entscheidenden Stellen erreicht haben, damit sie übernommen werden können. tHOLD: Hold time, Mindest-Halte-Zeit damit die Übernahme vollständig durchgeführt werden kann. Verletzung der Zeitbedingungen führt zu unklarem Verhalten. Quelle: MIT 6.004

3 Typische metastabile Verhalten
Was kann passieren, wenn CLK und D die geforderten Flipflop-Zeitverhältnisse verletzen und gleichzeitig wechseln? !! 1. Ausgang Q kann überwiegend für kurze Zeiten alternieren. Nach mehrfache tPD s verlässt Q den metastabilen Zustand mit sehr großer Wahrscheinlichkeit. Weder 1 noch 0 Ein metastabiler Zustand ist eine unstabile Spannungslage die im verbotenen Spannungsbereich liegt (entspricht weder dem Spannungsbereich der logischen 1 noch der logischen 0). 2. Oder Ausgang Q schwingt für lange Zeit im Extremfall (Rückkopplungspfad ist lang). Quelle: MIT 6.004

4 Mechanische Simulation von metastabilem Verhalten
Ein Ball wird in Richtung einer Hügelspitze geschlagen. Was kann passiere? Wird ein Ball Richtung Hügelspitze geschlagen, kann er an drei möglichen Positionen halten: rollt zurück auf die Ausgangsseite über den Hügel auf die andere Seite bleibt auf der Bergspitze stehen Die letzte Position ist nicht stabil. Und kann zu einer der Anderen führen, durch: eine Windböe Brown‘sche Molekularbewegung andere Kleinigkeiten Quelle: MIT 6.004

5 Automaten Synchronisationsproblem
x y 1 1 Eingaben Ausgaben x y n (Schaltnetz) m Folgezustand zm-1‘ z0 ‘ Zustand zm-1 z0 Rückkopplung x1 Problem: X1 und CLK sind unabhängig voneinander! Metastabilität kann auftreten CLK System Flipflops

6 Das unlösbare Synchronisationsproblem!
CLK Signale zeitlich voneinander unabhängig! Problem: Die Ausgangs-Entscheidung U zur Zeit der Taktflanke ist unklar? U Wert nach Taktflanke ist unberechenbar! Lösung: Erst B0 und B1 zum Takt CLK synchronisieren ! B0 wechselt zur CLK-Flanke (also B0 ist dann synchron zu CLK). Damit wird U berechenbar! CLK Kann das funktionieren? Grundsätzlich und mit 100% Sicherheit nicht! Quelle: MIT 6.004

7 Pragmatischer Lösungsansatz !
Mechanische Simulation (MIT 6004, L06-Sequential) Quelle: MIT 6.004

8 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

9 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

10 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

11 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

12 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

13 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

14 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

15 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

16 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

17 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

18 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

19 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

20 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

21 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

22 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

23 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

24 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

25 Pragmatischer Lösungsansatz Mechanische Simulation
Quelle: MIT 6.004

26 Pragmatischer Lösungsansatz
Schlüssel zur Lösung: Mehr Überlegungszeit gewähren. Ansatz: Zwei Flipflops werden hintereinander geschaltet. Wenn der 1. Flipflop sich im metastabilen Zustand befindet, dann schaut der 2. Flipflop nach eine Beruhigungszeit T das Zwischenergebnis Z noch mal an. T CLK Xs synchronisiertes X X Z 1. FF 2. FF noch besser 3 FF‘s Quelle: MIT 6.004

27 Pragmatische typische Lösungswege
Zusammenfassung: Erlauben von mehr Überlegungszeit (damit werden Ergebnisse verzögert) führt fast zu Metastabilität freien Signalen! synchronisiertes X asynchrone Eingabe X Xs tPD=  Verzögerungszeit CLK zu Q CLK T PM(T) ≈ K e –T/  PM(T): Wahrscheinlichkeit, dass ein metastabiler Zustand vorkommt. K : Systemparameter Ergebnis dieser Maßnahme ist eine sehr geringe Metastabilitäts-Wahrscheinlichkeit PM(T) Quelle: MIT 6.004

28 Fehlerwahrscheinlichkeit als Funktion der Verzögerungszeit
Mit konservativen Annahmen über die Verteilung der Systemzeitkonstante K und der Annahme das eine Taktfrequenz von 100MHz anliegt, erhalten wir folgende Ergebnisse: (Bemerkung:  ≈ 1 ns bei Mittel-Schnelle C-MOS Technologie) Delay T P(metastabil) Durchschnittliche zwischen Ausfällen 31ns 3x10-16 1 Jahr 33,2ns 3x10-17 10 Jahre 100ns 10-45 1030 Jahre! Zum Vergleich: Alter des ältesten Fossils: 5x106 Jahre Alter der Erde: 5x109 Jahre PM(T) ≈ K e –T/  Lehre: Um metastabile Zustände zu vermeiden, sind Signallaufzeiten so zu berücksichtigen, dass zur Stabilisierung genug Zeit eingeplant wird. Quelle: MIT 6.004

29 „dieimmer wiederkehrende Ansätze“
Volksweisheiten „dieimmer wiederkehrende Ansätze“ 1. schlechter Ansatz: Entdecke metastabilen Zustand und füge eine Korrektur hinzu. Fehler: Erkennen von Metastabilität kann metastabile Zustände erzeugen, d. h. die Korrektur wird in endlicher Zeit ebenfalls keine Lösung liefern. Viele weitere schlechte Ansätze von injezieren von Rauschen bis seltsamen analogen Schaltungen wurden vorgeschlagen. 2. schlechter Ansatz: Lösen durch Umdefinieren der Spannungsbereiche und damit den metastabilen Ausgang als gültig erklären.. Fehler: Das Speicherelement wird nach einiger Zeit gültige Null-Werte in Eins-Werte wandeln. Quelle: MIT 6.004

30 Es gibt keine einfache Lösung … stelle Dich der Herausforderung!
„Metastabile Zustände“: Unvermeidbarer Bestandteil bistabiler Systeme. Eventuell kann aus einem metastabilen Zustand ein gültiger binärer Wert entstehen. Die Einschwingzeit ist zwar unbestimmt … jedoch wird sie durch Parameter wie z.B. Rauschen, Verstärkung etc. beeinflusst. Die Wahrscheinlich das Metastabilität entsteht fällt mit der Zeit, eingebaute maßvolle Verzögerungen nach Zustandswechseln verringern die Wahrscheinlichkeit das Metastabilität entsteht. Unsere Strategie: Da wir Metastabilität nicht eliminieren können, müssen wir unser Bestes tun um die Kontamination unseres Designs damit zu verhindern. Quelle: MIT 6.004

31 Metastabilität im Alltag I
Erfundener Unfall Marius Müller versucht eine „ Naive Verteidigung“: Marius verließ das Fast-Food-Restaurant und kam an eine Straßengabelung. Er verursachte einen Unfall in dem er auf die Mittelbarriere auffuhr. Später erklärte er: „Ich konnte nicht Entscheiden ob ich links oder rechts daran vorbeifahren soll.“ Hätte Marius überhaupt den Unfall vermeiden können? Bang Bürger König „Ja! Er hätte anhalten müssen bis er seine Entscheidung getroffen hat.“, so Richter Hermann, AG der TU-BS Quelle: freie erfundene Übersetzung vom MIT 6.004

32 Metastabilität im Alltag !!
Gegeben: Ampelanlage Grün-, Gelb-, Rot-Phase 50km/h Geschwindigkeitsbegrenzung Genügend lange Grün-, Gelb-, Rot-Phase Analoge Positionseingabe Digitale Eingabe der Ampelphasen Rot, Gelb, Grün Digitale Ausgabe des Signals „Fahren“ Kann man die folgenden Gesetzte zuverlässig einhalten: Gesetz: Während der Rot-Phase nicht die Haltelinie überqueren. Strategie: Fahren bei Grün. 2. Gesetz: Während der Rot-Phase nicht auf der Kreuzung sein. Mögliche Strategien: Lichtphasen zur Synchronisation mit der Ampel durchspielen, bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h und dem Abstand D zur Ampel. Gefahren darf nur bei stabiler Grün-Phase. Vor der Kreuzung halten, mit Beginn der Grün-Phase losfahren. Ampelproblem! Quelle: MIT 6.004

33 Zusammenfassung Die schwierigsten Entscheidungen sind die,
die als letztes getroffen werden. Als System-Designer: meiden Sie das Problem als solches, verwenden Sie wo es möglich ist: einen Takt keine Zustände, stattdessen kombinatorische Logik, die keine metastabilen Zustand kennt! Einbau von Verzögerungen nach asynchronen Eingängen, dies sind fundamentale Kosten der Synchronisation Quelle: MIT 6.004