Publications of Special Field GALS

Journal and Book Articles

• Milos Krstic, Eckhard Grass, Christian Stahl, and Maxim Piz. System Integration by Request-driven GALS Design. IEE Proc. Computers & Digital Techniques, 153(5): 362--372, September 2006.

  Abstract: A novel request-driven globally asynchronous locally synchronous (GALS) technique for the system integration of complex digital blocks is proposed. For this new GALS technique, an asynchronous wrapper compliant is developed and evaluated. This proposed GALS technique is applied to a baseband processor compatible with the wireless LAN standard IEEE 802.11a. The developed GALS baseband processor chip is fabricated and measured. Besides improvements of the system integration process, a 5 dB reduction in electromagnetic interference, 30\% reduction in instantaneous supply current variation, and similar dynamic power consumption as in the synchronous baseband processor is achieved.

  

Workshop and Conference Papers

• Eckhard Grass, Frank Winkler, Milos Krstic, Alexandra Julius, Christian Stahl, and Maxim Piz. Enhanced GALS Techniques for Datapath Applications. In Vassilis Paliouras, Johan Vounckx, and Diederik Verkest, editors, Integrated Circuit and System Design: 15th International Workshop, PATMOS 2005, Leuven, Belgium, September 20-23, 2005, volume 3728 of Lecture Notes in Computer Science, pages 581-590, August 2005. Springer-Verlag.

  Abstract: Based on a previously reported request driven technique for Globally-Asynchronous Locally-Synchronous (GALS) circuits this paper presents two significant enhancements. Firstly, the previously required local ring oscillators are avoided. Instead, an external clock with arbitrary phase for each GALS block is used. Details of the required wrapper circuitry, the proposed design flow and performance are provided. Secondly, to reduce supply noise, a novel approach applying individual clock jitter for GALS blocks is proposed. A simulation using the jitter technique shows that for a typical GALS system, the power spectrum of the supply current can be reduced by about 15 dB.

  

• Milos Krstic, Eckhard Grass, and Christian Stahl. Request-Driven GALS Technique for Wireless Communication System. In Proceedings of the 11th International Symposium on Advanced Research in Asynchronous Circuits and Systems (ASYNC 2005), New York, NY, USA, pages 76-85, March 2005. IEEE Computer Society.

  Abstract: A Globally Asynchronous - Locally Synchronous (GALS) technique for application in wireless communication systems is proposed and evaluated. The GALS wrappers are based on a request-driven operation with an embedded time-out function. A formally verified GALS wrapper is deployed for the ?GALSification? of a baseband processor for WLAN. Details of the GALS partitioning, implementation and the design-flow are discussed. Furthermore, a test strategy based on built-in self-test (BIST) is suggested. The described baseband processor was fabricated and successfully tested. The GALS design is compared with a clock-gated, synchronous version. Advantages for system integration are achieved along with a 1% reduction in dynamic power consumption, a 30% reduction in peak power supply current, and 5 dB reduction in spectral noise.

  

• Christian Stahl, Wolfgang Reisig, and Milos Krstic. Hazard Detection in a GALS Wrapper: A Case Study. In Jörg Desel and Y. Watanabe, editors, Proceedings of the Fifth International Conference on Application of Concurrency to System Design (ACSD'05), St. Malo, France, pages 234-243, June 2005. IEEE Computer Society.

  Abstract: An asynchronous wrapper of a fabricated GALS system is analyzed for hazards. For this purpose a Petri net based modelling approach of this GALS wrapper is presented. In our model the question whether a hazard can occur in a gate is reduced to a model checking problem: the reachability of a particular marking in the Petri net. In order to alleviate state space explosion two techniques to reduce the model's state space are presented. By use of these techniques we detected several potential hazards and a deadlock in the wrapper.

  

Technical Reports

• Christian Stahl, Wolfgang Reisig, and Milos Krstic. Hazard Detection in a GALS Wrapper: a Case study. Informatik-Berichte 184, Humboldt-Universität zu Berlin, February 2005.

  Abstract: An asynchronous wrapper of a fabricated GALS system is analyzed for hazards. For this purpose a Petri net based modelling approach of this GALS wrapper is presented. In our model the question whether a hazard can occur in a gate is reduced to a model checking problem: the reachability of a particular marking in the Petri net. In order to alleviate state space explosion three techniques to reduce the model?s state space are presented. By use of these techniques we detected several potential hazards in the wrapper.

  

Research Paper and Master Thesis

• Alexandra Julius. Abstrakte Datenflussmodelle für GALS-Schaltungen zum Nachweis nicht-funktionaler Eigenschaften. Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin, May 2007.

  Abstract: In dieser Arbeit stellen wir Möglichkeiten vor, nicht-funktionale Eigenschaften einer GALS-Schaltung mittels Modellierung, Abstraktion und Verifikation zu analysieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht vor allem das Zeitverhalten und die Funktionssicherheit der Schaltung. Mit geeigneten Datenflussmodellen, in denen Zeit explizit modelliert ist, werden diese Eigenschaften untersucht. Da die Modellierung von Zeit die Komplexität des Modells erhöht und damit auch die Verikation erschwert, modellieren wir den Datenfluss möglichst abstrakt. Wir schlagen in dieser Arbeit mehrere Abstraktionstechniken vor, die den Zustandsraum des Datenmodells reduzieren.

  

• Jan Bretschneider. Modellierung und Synthese eines geschwindigkeitsinvarianten GALS-Wrappers. Studienarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin, February 2006.

  Abstract: Global asynchrone, lokal synchrone (GALS) Systeme vereinen dieVorteile synchroner und asynchroner Schaltungen und mindern zugleich ihre Nachteile. Ein GALS-System besteht aus mehreren lokal synchron arbeitenden Modulen, von denen jedes von einem asynchron arbeitenden Wrapper umhüllt wird. Durch diese Wrapper kommunizieren die Module asynchron miteinander. Das IHP Frankfurt hat auf Grundlage einer informalen Spezifikation einen GALS-Wrapper entwickelt. Erst nachträglich wurde ein formales Modell für diesen Wrapper erstellt und auf Korrektheit überprüft. Dabei wurden Fehler in der Implementierung gefunden und korrigiert. Wir beschreiben den Entwurf eines per Konstruktion korrekten Wrappers, der sich an der Schnittstelle zu seiner Umgebung genauso verhält, wie der Wrapper des IHP. Dazu modellieren wir erst sein Verhalten als Petrinetz und generieren danach aus diesem Modell mit dem Werkzeug petrify eine geschwindigkeitsinvariante Schaltung, die per Konstruktion korrekt arbeitet.

  

• Alexandra Julius. Entwurf und VHDL-Modellierung von mesochronen GALS-Schaltungen. Studienarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin, December 2005.

  Abstract: Die vorliegende Arbeit beschreibt Entwurf und VHDL-Modellierung global-asynchroner lokal-synchroner (GALS) Schaltungen, die sich von bisherigen Entwurfsmethoden abheben. Grundlage unserer Forschung ist der am IHP entwickelte request-getriebene GALSWrapper, dessen lokale Takterzeugung bisher unter Verwendung von Ring-Oszillatoren realisiert wurde. Dieser heterochrone Ansatz verkompliziert jedoch Entwurf und Inbetriebnahme der GALS-Schaltung. Zusätzlich steigt durch den Gebrauch von Ring-Oszillatoren der Energieverbrauch insgesamt an, und es wird mehr Chipfläche benötigt. Wir entwickeln daher einen GALS-Wrapper, der mesochron realisiert ist und mit einer globalen Taktversorgung auskommt. Der Wechsel von heterochronen zu mesochronen GALS-Schaltungen bringt unter anderem die Schwierigkeit mit sich, eine sinnvolle Taktsynchronisation herzustellen. Darüber hinaus ergibt sich die beim Design asynchroner Systeme übliche Aufgabe des korrekten Schaltungsentwurfs. Insbesondere muss darauf geachtet werden, dass in der Schaltung keine Hazards entstehen, die das System negativ beeinflussen können. In dieser Arbeit ersetzen wir den heterochronen GALS-Wrapper durch einen mesochronen. Wir zeigen insbesondere, dass durch den mesochronen Ansatz sowohl Datendurchsatz erhöht als auch Energieverbrauch gemindert werden. Die resultierenden Ergebnisse wurden in einem Papier [GWK+05] festgehalten, das für die Patmos Konferenz 2005 akzeptiert wurde.

  

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