随着半导体工艺的进步和IP核复用技术的发展,同步电路在性能上的提高目前已接近极限。异步电路在低功耗、低噪声、抗干扰、模块化性能和无时钟偏移等方面的优势正在显现出来,异步设计方法也在近年来重新成为重要的研究内容。由于异步设计面临没有成熟的EDA工具支持、测试困难等主要障碍,综合同步和异步各自优势的全局异步局部同步(GALS)设计技术得到了相应的重视。在全局异步局部同步的设计中,片上局部模块可以直接使用成熟的IP同步模块,模块之间的互连与通信采用异步方式实现。论文针对新一代系统芯片发展的需求,重点研究了GALS系统的关键电路单元及系统设计技术。主要研究工作及创新性成果包括:一、系统研究了GALS系统的网络结构、节点组成和网络内部的通讯方式。分析了用异步接口封装同步功能模块的GALS模型,讨论了异步封装电路彼此通信的握手协议和状态控制,给出了异步电路握手的方法和四相信号传输协议及二相信号传输协议的工作过程。对数据传送采用单轨和双轨编码的方式进行了讨论,得到了握手信号与数据信号的状态配合态序。二、研究设计了用于异步互连的关键单元和异步系统的功能模块。完成了C单元和带设置端C单元的晶体管级CMOS电路设计,给出了基于SMIC 0.18μm标准CMOS工艺的电路网表和最终版图,分析了各关键单元的能耗、上升延迟和下降延迟特性。对分支、合并和选择单元等功能模块进行了等比工艺条件下的CMOS电路设计。这些异步功能单元为大规模异步信号传送电路和GALS系统的设计奠定了基础。三、研究设计了GALS系统的可控可暂停时钟电路。根据不同功能模块对时钟的不同要求,研究设计了多种可控可暂停时钟产生器,其频率范围覆盖了200MHz~2.4GHz,具有不同的频率调节精细度、功耗和面积开销。组合使用这些时钟产生器,可以满足系统的各种需要。四、研究设计了异步握手接口电路。基于四相单轨协议,建立了同步异步读写转换接口的信号转换图,采用单元电路和petrify综合方法设计实现了异步握手接口电路。通过petrify软件的综合,得到由复合门组成的握手信号产生电路。采用同步设计的EDA工具,用硬件描述语言设计寄存器传输级的异步握手协议电路,完成握手电路构成的异步封装电路,为构建GALS系统提供了基本节点。五、研究了GALS系统模型和设计方法。借助同步数字设计EDA工具,通过硬件描述语言编程,得到了系统的各异步逻辑功能模块。将同步功能模块通过异步握手电路封装,构成了点对点的GALS系统。通过软硬件仿真,验证了GALS系统的逻辑功能以及各个功能模块、握手协议电路的正确性,证明了这一设计方法的可行性,为GALS系统设计奠定了基础。论文在全局异步局部同步系统的结构、异步通信协议、异步封装电路的EDA设计技术、GALS系统的实现验证等方面取得了创新性研究成果,为GALS系统的设计和应用奠定了基础。所提出的异步关键电路的设计技术及实现GALS系统的方法,对GALS系统的设计具有指导作用。