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Doctor's Theses (authored and supervised):

M. Ferringer:
"Asynchronous Logic in Real-Time Systems";
Supervisor, Reviewer: A. Steininger, G. Fohler; Institut für Technische Informatik, 2012.



English abstract:
While asynchronous logic has many potential advantages compared to traditional synchronous
designs, one of the major drawbacks is its unpredictability with respect to temporal
behavior. Having no high-precision oscillator, a self-timed circuit's execution speed
is heavily dependent on temperature and supply voltage. Small
uctuations of these parameters
already result in noticeable changes of the design's throughput and performance.
Without further provisions this jitter makes the use of asynchronous logic hardly feasible
for real-time applications. In this work, which is part of project ARTS2 (Asynchronous
Logic in Real-Time Systems), we investigate the temporal characteristics of self-timed circuits
regarding their usage in real-time systems, especially the Time-Triggered Protocol.
We propose a timing model capable of dealing with deterministic as well as probabilistic
timings caused | besides others | by PVT (process, voltage, temperature) variations,
and elaborate self-adapting circuits which shall derive a suitable notion of time for an
asynchronous TTP controller. Out of the proposed variants we nd the simple LFSR
(linear feedback shift register) implementation with rate correction most promising for
our purposes. We further introduce and analyze the jitter compensation concept, which
is a three-fold mechanism to keep the asynchronous circuit's notion of time tightly synchronized
to the remaining communication participants. To demonstrate the robustness
of our solution, we perform di erent tests and investigate their impact on jitter and frequency
stability. These tests include, e.g., varying operating temperature, changing core
supply voltage, and process variations among several devices of the same type.
The experiments in combination with the theoretical analysis reveal some interesting
insights for the temporal behavior of self-timed circuits: Even though the used design
style is strongly indicating, considerable data-dependent jitter e ects can be identi ed.
It also turns out that process variations signi cantly in
uence the jitter characteristics
and performance of asynchronous circuits. Nevertheless, the proposed self-adaptive time
reference generation circuit is capable of tolerating di erent temporal conditions. Measurements
with the fully functional asynchronous TTP controller reveal that it is indeed
possible to use asynchronous logic in real-time systems. However, there are some major
limitations (especially for actively sending messages in a time-triggered system) that must
be considered.

German abstract:
Es ist mittlerweile unbestritten, dass asynchrone Logik zahlreiche Vorteile im Vergleich
zur herk ommlichen synchronen Logik hat. Ein zentrales Problem jedoch ist die schwierige
Vorhersagbarkeit der zeitlichen Abl aufe eines asynchronen Designs. Aufgrund eines
fehlenden (hochpr azisen) Schwingquarzes h angt die tats achliche Ausf uhrungsgeschwindigkeit
ma geblich von Faktoren wie Umbgebungstemperatur und Versorgungsspannung ab,
wobei bereits minimale Fluktuationen messbare Auswirkungen auf die Geschwindigkeit
haben k onnen. Klarerweise werden asynchrone Schaltungen daher als g anzlich ungeeignet
f ur den Einsatz in Echtzeitsystemen angesehen. Diesem Umstand soll mit dem Projekt
ARTS1 (Asynchronous Logic in Real-Time Systems) entgegengewirkt werden, indem die
genauen zeitlichen Charakteristika von ungetakteten Digitalschaltungen auf ihre Tauglichkeit
f ur Echtzeitsysteme (und zwar speziell f ur das zeitgesteuerte Protokoll TTP)
untersucht werden. Zu diesem Zwecke wird in dieser Arbeit ein geeignetes Zeitmodel entwickelt,
welches neben deterministischen auch probabilistische Signallaufzeitvariationen
modellieren kann. Darauf aufbauend wird ein sich automatisch auf den TTP Datenstrom
kalibrierendes System entwickelt, welches eine geeignete (asynchrone) Zeitbasis f ur einen
asynchronen TTP-Kontroller zur Verf ugung stellt. Wie sich heraus stellt, sind unter allen
Designalternativen jene mit linear r uckgekoppelten Schieberegistern (LFSR) am besten
f ur unsere Anforderungen geeignet. Um die Funktionsf ahigkeit und Robustheit der vorgestellten
L osung zu demonstrieren, unterziehen wir das Design verschieden empirischen
Tests, wie zum Beispiel Temperatur- und Spannungstests, und untersuchen die jeweiligen
Auswirkungen auf Jitter und Frequenzstabilit at.
In Verbindung mit den theoretischen Untersuchungen k onnen einige sehr interessante
Erkenntnisse im Zusammenhang mit zeitlicher Vorhersagbarkeit von asynchronen Schaltungen
gemacht werden: Trotz der speziellen Eigenschaften des verwendeten Design-Stiles
gibt es erheblichen datenabh angigen Signaljitter. Weiters wurde festgestellt, dass Herstellungsvariationen
gravierenden Ein
uss auf die Geschwindigkeit und Jittercharakteristika
haben. Nichtsdestotrotz wirken sich diese Ein
usse nicht negativ auf die automatische
Kalibrierung aus. Untersuchungen am fertigen und funktionierenden asynchronen TTPKontroller
zeigen deutlich, dass es grunds atzlich m oglich ist, asynchrone Logik f ur Echtzeitanwendungen
| mit gewissen Einschr ankungen | einzusetzen.


Related Projects:
Project Head Andreas Steininger:
Asynchrone Logik in Echtzeitsystemen


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