Fonctionnement d'un ordinateur/Les circuits synchrones et asynchrones

Les bascules sont rarement utilisées seules. Elles sont combinées avec des circuits combinatoires pour former des circuits qui possèdent une capacité de mémorisation, appelés circuits séquentiels. L'ensemble des informations mémorisées dans un circuit séquentiel, le contenu de ses bascules, forme ce qu'on appelle l'état du circuit, aussi appelé la mémoire du circuit séquentiel. Un circuit séquentiel peut ainsi être découpé en deux morceaux : des bascules qui stockent l'état du circuit, et des circuits combinatoires pour mettre à jour l'état du circuit et sa sortie. Suivant la méthode utilisée pour déterminer la sortie, on peut classer les circuits séquentiels en deux catégories :

• les automates de Moore, où la sortie ne dépend que de l'état mémorisé ;
• et les automates de Mealy, où la sortie dépend de l'état du circuit et de ses entrées.

Ces derniers ont tendance à utiliser moins de portes logiques que les automates de Moore.

Automate de Moore et de Mealy

Concevoir des circuits séquentiels demande d'utiliser un formalisme assez complexe et des outils comme des machines à état finis (finite state machine). Mais nous ne parlerons pas de cela dans ce cours, car nous n'aurons heureusement pas à les utiliser.

La majorité des circuits séquentiels possèdent plusieurs bascules, dont certaines doivent être synchronisées entre elles. Sauf qu'un léger détail vient mettre son grain de sel : tous les circuits combinatoires ne vont pas à la même vitesse ! Si on change l'entrée d'un circuit combinatoire, cela se répercutera sur ses sorties. Mais toutes les sorties ne sont pas mises en même temps et certaines sorties seront mises à jour avant les autres ! Cela ne pose pas de problèmes avec un circuit combinatoire, mais ce n'est pas le cas si une boucle est impliquée, comme dans les circuits séquentiels. Si les sorties sont renvoyées sur les entrées, alors le résultat sur l'entrée sera un mix entre certaines sorties en avance et certaines sorties non-mises à jour. Le circuit combinatoire donnera alors un résultat erroné en sortie. Certes, la présence de l'entrée Enable permet de limiter ce problème, mais rien ne garantit qu'elle soit mise à jour au bon moment. En conséquence, les bascules ne sont pas mises à jour en même temps, ce qui pose quelques problèmes relativement fâcheux si aucune mesure n'est prise.

Le temps de propagation

Pour commencer, il nous faut expliquer pourquoi tous les circuits combinatoires ne vont pas à la même vitesse. Tout circuit, quel qu'il soit, va mettre un petit peu de temps avant de réagir. Ce temps mis par le circuit pour propager un changement sur les entrées vers la sortie s'appelle le temps de propagation. Pour faire simple, c'est le temps que met un circuit à faire ce qu'on lui demande : plus ce temps de propagation est élevé, plus le circuit est lent. Ce temps de propagation dépend de pas mal de paramètres, aussi je ne vais citer que les principaux.

Le temps de propagation des portes logiques

Une porte logique n'est pas un système parfait et reste soumis aux lois de la physique. Notamment, il n'a pas une évolution instantanée et met toujours un petit peu de temps avant de changer d'état. Quand un bit à l'entrée d'une porte logique change, elle met du temps avant de changer sa sortie. Ce temps de réaction pour propager un changement fait sur les entrées vers la sortie s'appelle le temps de propagation de la porte logique. Pour être plus précis, il existe deux temps de propagation : un temps $T_{LH}$ pour passer la sortie de 0 à 1, et un temps $T_{HL}$ pour la passer de 1 à 0. Les électroniciens utilisent souvent la moyenne entre ces deux temps de propagation, et la nomment le retard de propagation, noté $R_{t}$.

$R_{t}={\frac {T_{LH}+T_{HL}}{2}}$

Temps de propagation d'une porte logique.

Le chemin critique

Délai de propagation dans un circuit simple.

Si le temps de propagation de chaque porte logique a son importance, il faut aussi tenir compte de la manière dont elles sont reliées. La relation entre "temps de propagation d'un circuit" et "temps de propagation de ses portes" n'est pas simple. Deux paramètres vont venir jouer les trouble-fêtes : le chemin critique et la sortance des portes logiques. Commençons par voir le chemin critique, qui n'est autre que le nombre maximal de portes logiques entre une entrée et une sortie de notre circuit. Pour donner un exemple, nous allons prendre le schéma ci-contre. Pour ce circuit, le chemin critique est dessiné en rouge. En suivant ce chemin, on va traverser trois portes logiques, contre deux ou une dans les autres chemins.

Le temps de propagation total, lié au chemin critique, se calcule à partie de plusieurs paramètres. Premièrement, il faut déterminer quel est le temps de propagation pour chaque porte logique du circuit. En effet, chaque porte logique met un certain temps avant de fournir son résultat en sortie : quand les entrées sont modifiées, il faut un peu de temps pour que sa sortie change. Ensuite, pour chaque porte, il faut ajouter le temps de propagation des portes qui précédent. Si plusieurs portes sont reliées sur les entrées, on prend le temps le plus élevé. Enfin, il faut identifier le chemin critique, le plus long : le temps de propagation de ce chemin est le temps qui donne le tempo maximal du circuit.

Temps de propagation par porte logique.

Temps de propagation pour chaque chemin.

Identification du chemin critique.

La sortance des portes logiques

Passons maintenant au second paramètre lié à l'interconnexion entre portes logiques : la sortance. Dans les circuits complexes, il n'est pas rare que la sortie d'une porte logique soit reliée à plusieurs entrées (d'autre portes logiques). Le nombre d'entrées connectées à une sortie est appelé la sortance de la sortie. Il se trouve que plus on connecte de portes logiques sur une sortie, (plus sa sortance est élevée), plus il faudra du temps pour que la tension à l'entrée de ces portes passe de 1 à 0 (ou inversement). La raison en est que la porte logique fournit un courant fixe sur sa sortie, qui charge les entrées en tension électrique. Un courant positif assez fort charge les entrées à 1, alors qu'un courant nul ne charge pas les entrées qui retombent à 0. Avec plusieurs entrées, la répartition est approximativement équitable et chaque entrée reçoit seulement une partie du courant de sortie. Elles mettent plus de temps à se remplir de charges, ce qui fait que la tension met plus de temps à monter jusqu'à 1.

Influence de la sortance d'un circuit sur sa fréquence-période

Le temps de latence des fils

Enfin, il faut tenir compte du temps de propagation dans les fils, celui mis par notre tension pour se propager dans les fils qui relient les portes logiques entre elles. Ce temps perdu dans les fils devient de plus en plus important au cours du temps, les transistors et portes logiques devenant de plus en plus rapides à force de les miniaturiser. Par exemple, si vous comptez créer un circuit avec des entrées de 256 à 512 bits, il vaut mieux le modifier pour minimiser le temps perdu dans les interconnexions que de diminuer le chemin critique.

Les circuits synchrones et asynchrones

Sur les circuits purement combinatoires, le temps de propagation n'est que rarement un souci, à moins de rencontrer des soucis de métastabilité assez compliqués. Par contre, le temps de propagation doit être pris en compte quand on crée un circuit séquentiel : sans ça on ne sait pas quand mettre à jour les bascules du circuit. Si on le fait trop tôt, le circuit combinatoire peut sauter des états : il se peut parfaitement qu'on change le bit placé sur l'entrée avant qu'il ne soit mémorisé. De plus, les différents circuits d'un composant électronique n'ont pas tous le même temps de propagation, et ceux-ci vont fonctionner à des vitesses différentes. Si l'on ne fait rien, on peut se retrouver avec des dysfonctionnements : par exemple, un circuit lent peut rater deux ou trois nombres envoyés par un composant un peu trop rapide.

Pour éviter les ennuis dus à l'existence de ce temps de propagation, il existe deux grandes solutions, qui permettent de faire la différence entre circuits asynchrones et synchrones. Dans les circuits synchrones, les bascules sont mises à jour en même temps. A l'opposé, les circuits asynchrones préviennent les bascules quand ils veulent la mettre à jour. Quand le circuit combinatoire et les bascules sont tous les deux prêts, on autorise l'écriture dans les bascules.

Les circuits asynchrones ne sont presque pas utilisés dans la quasi-totalité des ordinateurs modernes, qui sont des circuits synchrones. Nous ne verrons pas beaucoup de circuits asynchrones dans la suite du cours. Il faut dire que la grosse majorité des processeurs, mémoires et périphériques, sont des composants synchrones. La seule exception que nous verrons dans ce cours sont les anciennes mémoires DRAM asynchrones, qui sont aujourd'hui obsolètes, mais ont été utilisées dans les anciens PCs. Aussi, nous allons nous concentrer sur les circuits synchrones dans ce qui suit.

Le signal d'horloge des circuits synchrones

Les circuits synchrones mettent à jour leurs bascules à intervalles réguliers. La durée entre deux mises à jour est constante et doit être plus grande que le temps de propagation le plus long du circuit : on se cale donc sur le circuit combinatoire le plus lent. Les concepteurs d'un circuit doivent estimer le pire temps de propagation possible pour le circuit et ajouter une marge de sûreté.

Pour mettre à jour les circuits à intervalles réguliers, le signal d'autorisation d'écriture est une tension qui varie de façon cyclique : on parle alors de signal d'horloge. Le temps que met la tension pour effectuer un cycle est ce qu'on appelle la période. Le nombre de périodes par seconde est appelé la fréquence. Elle se mesure en hertz. On voit sur ce schéma que la tension ne peut pas varier instantanément : elle met un certain temps pour passer de 0 à 1 et de 1 à 0. On appelle cela un front. Le passage de 0 à 1 est appelé un front montant et le passage de 1 à 0 un front descendant.

Fréquence et période.

Un point important est que le signal d'horloge passe régulièrement de 0 à 1. Dans le cas idéal, 50% de la période est à l'état 1 et les 50% restants à l'état 0. On a alors un signal carré. Mais il arrive que le temps passé à l'état 1 ne soit pas forcément le même que le temps passé à 0. Par exemple, le signal peut passer 10% de la période à l'état 1 et 90% du temps à l'état 0. C'est assez rare, mais possible et même parfois utile. Le signal n'est alors pas appelé un signal carré, mais un signal rectangulaire. Le signal d'horloge est donc à 1 durant un certain pourcentage de la période. Ce pourcentage est appelé le rapport cyclique (duty cycle).

Signaux d'horloge asymétriques

En faisant cela, le circuit mettra ses sorties à jour lors d'un front montant (ou descendant) sur son entrée d'horloge. Entre deux fronts montants (ou descendants), le circuit ne réagit pas aux variations des entrées. Rappelons que seuls les circuits séquentiels doivent être synchronisés ainsi, les circuits combinatoires étant épargnés par les problématiques de synchronisation. Pour que les circuits séquentiels soient cadencés par une horloge, les bascules du circuit sont modifiées de manière à réagir aux fronts montants et/ou aux fronts descendants, ce qui fait que la mise à jour de l'état interne du circuit est synchronisée sur l'horloge. Évidemment, l’horloge est envoyée au circuit via une entrée spéciale : l'entrée d'horloge. L'horloge est ensuite distribuée à l'intérieur du composant, jusqu'aux bascules, par un ensemble de connexions qui relient l'entrée d'horloge aux bascules.

Circuit séquentiel synchrone.

La fréquence influence la performance d'un circuit

En théorie, plus un composant utilise une fréquence élevée, plus il est rapide. C'est assez intuitif : plus un composant peut changer d'état un grand nombre de fois par seconde, plus, il peut faire de calculs, et plus il est performant. Mais attention : un processeur de 4 gigahertz peut être bien plus rapide qu'un processeur de 20 gigahertz, pour des raisons techniques qu'on verra plus tard dans ce cours. Si dans les grandes lignes, une fréquence plus élevée signifie une performance plus élevée, ce n'est qu'une règle heuristique assez imparfaite.

Un autre point important est que plus la fréquence d'un composant est élevée, plus il chauffe et consomme d'énergie. Nous ne pouvons pas expliquer pourquoi pour le moment, mais sachez que nous détaillerons cela dans le chapitre sur les tendances technologiques. Disons pour simplifier que plus la fréquence d'un composant est élevée, plus il change d'état fréquemment par seconde, et que chaque changement d'état consomme de l'énergie. Sur les circuits CMOS modernes, la consommation d'énergie est proportionnelle à la fréquence. Ne vous étonnez donc pas que les circuits qui fonctionnent à haute fréquence, comme le processeur, chauffent plus que les circuits de basse fréquence. S'il y a un radiateur et un ventilateur sur un processeur, c'est en partie à cause de ça.

Dans un ordinateur moderne, chaque composant a sa propre horloge, qui peut être plus ou moins rapide que les autres. Par exemple, le processeur fonctionne avec une horloge différente de l'horloge de la mémoire RAM ou des périphériques. La présence de plusieurs horloges vient du fait que certains composants sont plus lents que d'autres. Plutôt que de caler tous les composants d'un ordinateur sur le plus lent en utilisant une seule horloge, il vaut mieux utiliser une horloge différente pour chacun. Les mises à jour des registres sont synchronisées à l'intérieur d'un composant (dans un processeur, ou une mémoire), alors que les composants eux-mêmes synchronisent leurs communications avec d'autres mécanismes. Ces multiples signaux d'horloge dérivent d'une horloge de base qui est « transformée » en plusieurs horloges, grâce à des montages électroniques spécialisés (des PLL ou des montages à portes logiques un peu particuliers).

Les bascules synchrones

Utiliser une horloge demande cependant d'adapter les circuits vus précédemment, les bascules devant être modifiées. En effet, les bascules précédentes sont mises à jour quand un signal d'autorisation est mis à 1. Mais avec un signal d'horloge, les bascules doivent être mises à jour lors d'un front, montant ou descendant, peu importe. Pour cela, les bascules ont une entrée d'autorisation d'écriture modifiée, qui réagit au signal d'horloge. Les bascules commandées par une horloge sont appelées des bascules synchrones.

Les bascules synchrones peuvent mettre à jour leur contenu soit lors d'un front montant, soit d'un front descendant, soit les deux, soit lorsque la tension d'horloge est à 1. Suivant le cas, le symbole utilisé pour représenter l'entrée d'horloge est différent, comme illustré ci-dessous.

Symboles des bascules synchrones.

Notons qu'en anglais, le terme bascule se dit flip-flop ou latch. De nos jours, le terme latch étant utilisé pour les bascules non-synchrones, alors que le terme flip-flop est utilisé pour désigner les bascules synchrones.

Les types de bascules synchrones

Il existe plusieurs types de bascules synchrones, qu'on peut classer en fonction de leurs entrées-sorties.

Symbole d'une bascule D synchrone.

La plus simple est la bascule D synchrone est une bascule D modifiée de manière à mettre à jour son contenu sur un front (montant). Celle-ci possède deux entrées : une entrée D sur laquelle on envoie la donnée à mémoriser (entrée d'écriture), et une autre pour l'horloge. Elle contient entre une et deux sorties : une pour la donnée mémorisée (sortie de lecture) et éventuellement une autre pour son opposé. Son fonctionnement est simple : son contenu est mis à jour avec ce qu'il y a sur l'entrée D, mais seulement lors d'un front (montant ou descendant suivant la bascule). Plus rares, certaines bascules D contiennent des entrées R et S pour les mettre à zéro ou à 1. La plupart des bascules D ont une entrée R pour les remettre à zéro, tandis que l'entrée S est absente, celle-ci étant peu utile.

Entrée CLK	Entrée D	Sortie Q
Front montant (ou descendant, suivant la bascule)	0	0
	1	1
Pas de front montant	0 ou 1	Pas de changement

Bascule SR synchrone.

Il existe aussi des versions synchrones des bascules RS à entrée Enable. Sur celles-ci, l'entrée Enable est juste remplacée par une entrée pour l’horloge. On les appelle des bascules RS synchrones.

Entrée CLK	Entrée R	Entrée S	Sortie Q
Front montant (ou descendant, suivant la bascule)	0	0	Pas de changement
	0	1	Mise à 1
	1	0	Mise à 0
	1	1	Indéterminé.
Pas de front montant	0 ou 1	0 ou 1	Pas de changement

Bascule synchrone JK.

Les bascules JK ont aussi leur version synchrone, les bascules JK synchrones.

Entrée CLK	Entrée R	Entrée S	Sortie Q
Front montant (ou descendant, suivant la bascule)	0	0	Pas de changement
	0	1	Mise à 1
	1	0	Mise à 0
	1	1	Inversion du bit mémorisé
Pas de front montant	0 ou 1	0 ou 1	Pas de changement

Bascule T.

La bascule T est une bascule qui n'existe que comme bascule synchrone. Elle possède deux entrées : une entrée d'horloge et une entrée nommée T. Cette bascule inverse son contenu quand l'entrée T est à 1, mais à condition qu'il y ait un front sur le signal d'horloge. En clair, l'inversion a lieu quand il y a à la fois un front et un 1 sur l'entrée T. Si l'entrée T est maintenu à 1 pendant longtemps, cette bascule inverse son contenu à chaque cycle d'horloge. À ce propos, l'entrée T tire son nom du mot anglais Toggle, qui veut dite inverser.

Entrée CLK	Entrée T	Sortie Q
Front montant (ou descendant, suivant la bascule)	0	Pas de changement
	1	Inversion du contenu de la bascule
Pas de front montant	0 ou 1	Pas de changement

Chronogramme qui montre le fonctionnement d'une bascule T. Le chronogramme montre comment évolue la sortie Q en fonction du temps, en fonction de l'entrée d'horloge C et de l'entrée T.

Cette bascule est utilisée pour fabriquer des compteurs, des circuits dans lesquels des bits doivent régulièrement être inversées.

Bascule T simplifiée.

La bascule T simplifiée est une bascule T dont l'entrée T a été retiré. Cette bascule change d'état à chaque cycle d'horloge, sans besoin d'autorisation de la part d'une entrée T.

Entrée CLK	Sortie Q
Front montant (ou descendant, suivant la bascule)	Inversion du bit mémorisé
Pas de front montant	Pas de changement

L'intérieur d'une bascule synchrone

Pour fabriquer une bascule synchrone, les solutions sont nombreuses et dépendent de si l'on parle d'une bascule D ou d'une bascule RS. Néanmoins, une méthode assez courante, et assez simple, est de partir d'une bascule non-synchrone, puis de la modifier pour la rendre synchrone. Les bascules les plus indiquées pour cela sont les bascules avec une entrée Enable : il suffit de transformer l’entrée Enable en entrée d'horloge. Évidemment, cela demande de faire quelques modifications. Il ne suffit pas d'envoyer le signal d'horloge sur l'entrée Enable pour que cela marche.

La méthode la plus simple consiste à placer deux bascules D l'une à la suite de l'autre. De plus, l'entrée Enable de la seconde bascule est précédée d'une porte NON. Avec cette méthode, la première bascule est mise à jour quand l’horloge est à 0, la seconde étant mise à jour avec le contenu de la première quand l'horloge est à 1. Dans ces conditions, la sortie finale de la bascule est mise à jour après un front montant.

Negative-edge triggered master slave D flip-flop

On peut faire exactement la même chose avec deux bascules asynchrones RS l'une à la suite de l'autre.

Bascule R synchrone basée sur des bascules RS non-synchrones.

Bascule D cadencée par une horloge.

Une autre méthode associe trois bascules RS normales, les deux premières formant une couche d'entrée qui commande la troisième bascule. Ces deux bascules d'entrée vont en quelque sorte traiter le signal à envoyer à la troisième bascule. Quand le signal d'horloge est à 0, les deux bascules d'entrée fournissent un 1 sur leur sortie : la troisième bascule reste donc dans son état précédent, sans aucune modification. Quand l'horloge passe à 1 (front montant), seule une des deux bascules va fournir un 1 en sortie, l'autre voyant sa sortie passer à 0. La bascule en question dépend de la valeur de D : un 0 sur l'entrée D force l'entrée R de la troisième bascule, un 1 forçant l'entrée S. Dit autrement, le contenu de la troisième bascule est mis à jour. Quand l'entrée d'horloge passe à 1, les bascules se figent toutes dans leur état précédent. Ainsi, la troisième bascule reste commandée par les deux bascules précédentes, qui maintiennent son contenu (les entrées R et S restent à leur valeur obtenue lors du front montant).

Fabriquer des bascules synchrones à partir d'autres bascules synchrones

Une bascule JK synchrone se fabrique facilement à partir d'une bascule RS synchrones, ce qui n'est pas étonnant quand on sait que leur comportement est presque identique, la seule différence étant ce qui se passe quand les entrées RS sont toutes les deux à 1. Il suffit, comme pour une bascule JK asynchrone, d'ajouter quelques circuits pour convertir les entrées JK en entrées RS.

Bascule JK synchrone, conçue à partir d'une bascule RS synchrone.

La bascule D synchrone peut se fabriquer partir d'une bascule JK ou RS synchrone. Il suffit alors d'ajouter un circuit combinatoire pour traduire les entrées D et E en entrées RS ou JK.

La bascule T simplifiée est la version la plus simple de bascule T, celle qui n'a pas d'entrée T et se contente d'inverser son contenu à chaque cycle d'horloge. La fabriquer est assez simple : il suffit de prendre une bascule D synchrone et de relier sa sortie /Q à son entrée D. On peut aussi faire la même chose avec une bascule JK synchrone ou une bascule RS synchrone.

Une bascule T normale peut s’implémenter une bascule T simplifiée, une bascule RS synchrone ou une bascule JK synchrone. Pour le circuit basé sur une bascule T simplifiée, l'idée est de faire un ET entre l'entrée T et le signal d'horloge, ce ET garantissant que le signal d’horloge est mis à 0 si l'entrée T est à zéro.

La distribution de l'horloge dans un circuit complexe

L’horloge est distribuée aux bascules et autres circuits à travers un réseau de connexions électriques qu'on appelle l'arbre d'horloge. L'arbre d'horloge le plus simple, illustré dans la première image ci-dessous, relie directement l'horloge à tous les composants à cadencer.

Arbre d’horloge simple.

Arbre d'horloge avec des buffers (les triangles sur le schéma).

Il va de soit que l'arbre d'horloge est beaucoup plus compliqué avec la logique dynamique qu'avec la logique statique. Avec la logique statique, seules les bascules doivent recevoir le signal d'horloge, avec éventuellement quelques rares circuits annexes. Mais avec la logique dynamique, toutes les portes logiques doivent recevoir le signal d'horloge, ce qui rend la distribution de l'hrologe beaucoup plus compliquée. C'est un point qui fait que la logique dynamique est assez peu utilisée, et souvent limitée à quelques portions bien précise d'un processeur.

Les défauts inhérents aux arbres d’horloge

Un problème avec cette approche est la sortance de l'horloge. Cette dernière est connectée à trop de composants, ce qui la ralentit. Pour éviter tout problème, on peut ajouter des buffers, de petits répéteurs de signal. S'ils sont bien placés, ils réduisent la sortance nécessaire et empêchent que le signal de l'horloge s'atténue en parcourant les fils.

Un autre problème très fréquent sur les circuits à haute performance est qu'une bonne partie de la consommation d'énergie a lieu dans l'arbre d'horloge. Nous en reparlerons dans le chapitre sur la consommation énergétique des ordinateurs, mais il est intéressant de mettre quelques chiffres sur ce phénomène. Entre 20 à 30% de la consommation énergétique des processeurs modernes a lieu dans l'arbre d'horloge. En comparaison, les circuits asynchrones se passent de cette consommation d'énergie, sans compter que leurs mécanismes de synchronisations sont moins gourmands en courant. Ils sont donc beaucoup plus économes en énergie et chauffent moins. Malheureusement, leur difficulté de conception les rend peu courants.

Le décalage d’horloge (clock skew)

Clock skew lié aux temps de transmission dans les fils.

Un problème courant sur les circuits à haute fréquence est que les fils qui transmettent l’horloge ont chacun des délais de transmission différents. La raison principale à cela est qu'ils n'ont pas la même longueur, ce qui fait que l'électricité met plus de temps à traverser les quelques micromètres de différence entre fils. En conséquence, les composants sont temporellement décalés les uns d'avec les autres, même si ce n'est que légèrement. Ce phénomène est appelé le décalage d'horloge, traduction du terme clock skew utilisé en langue anglaise. Il ne pose pas de problème à faible fréquence et/ou pour des fils assez courts, mais c'est autre chose pour les circuits à haute fréquence. Pour éviter les effets néfastes du clock skew sur les circuits haute-fréquence, on doit concevoir l'arbre d'horloge avec des techniques assez complexes.

Par exemple, on peut jouer sur la forme de l'arbre d'horloge. Dans les schémas du dessus, l'arbre d'horloge part d'un côté du processeur, de là où se trouve la broche pour l'horloge. En faisant cela, un côté du processeur recevra l'horloge avant l'autre, entraînant l'apparition d'un délai entre la gauche du processeur et sa droite. Pour éviter cela, on peut faire partir l'horloge du centre du processeur. Le fil de l'horloge part de la broche d'horloge, va jusqu’au centre du processeur, puis se ramifie de plus en plus en direction des composants. En faisant cela, on garantit que les délais sont équilibrés entre les deux côtés du processeur. Cependant, il existera quand même un délai entre les composants proches du centre et ceux sur les bords du processeur. Mais le délai maximal est minimisé. Entre un délai proportionnel à la largeur du processeur, et un délai proportionnel à la distance maximale centre-bord (environ la moitié de la diagonale), le second est plus faible.

Il arrive que le clock skew soit utilisé volontairement pour compenser d'autres délais de transmission. Pour comprendre pourquoi, imaginons que deux composants soient reliés l'une avec l'autre, le premier envoyant ses données au second. Il y a évidemment un petit délai de transmission entre les deux. Mais sans clock skew, les deux composants recevront l'horloge en même temps : le receveur captera un front montant de l'horloge avant les données de l'émetteur. En théorie, on devrait cadencer l'horloge de manière à ce que ce délai inter-composants ne pose pas de problème. Mais cela n'est pas forcément la meilleure solution si on veut fabriquer un circuit à haute fréquence. Pour éviter cela, on peut ajouter un clock skew, qui retardera l’horloge du receveur. Si le clock skew est supérieur ou égal au temps de transmission inter-composants, alors le receveur réceptionnera bien le signal de l'horloge après les données envoyées par l'émetteur. On peut ainsi conserver un fonctionnement à haute fréquence, sans que les délais de transmission de données ne posent problème. Cette technique porte le nom barbare de source-synchronous clocking.

Interaction entre le clock skew et le délai de transmission entre deux circuits.

Les domaines d'horloge

Il existe des composants électroniques qui sont divisés en plusieurs morceaux cadencés à des fréquences différentes. De tels composants sont très fréquents et nous en verrons quelques autres dans la suite du cours. Et pour parler de ces composants, il est très utile d'introduire la notion de domaine d'horloge.

Un domaine d'horloge est l'ensemble des registres qui sont reliés au même signal d'horloge, associé aux circuits combinatoires associés. Il n'incorpore pas l'arbre d'horloge ni même le circuit de génération du signal d'horloge, mais c'est là un détail. La plupart des composants électroniques ont un seul domaine d'horloge, ce qui veut dire que tout le circuit est cadencé à une fréquence unique, la même pour toute la puce. D'autres ont plusieurs domaines d'horloge qui vont à des fréquences distinctes. Les raisons à cela sont multiples, mais la principale est que autant certains circuits ont besoin d'être performants et donc d'avoir une haute fréquence, d'autres peuvent très bien faire leur travail à une fréquence plus faible. L'usage de plusieurs domaines d'horloge permet à une portion critique de la puce d'être très rapide, tandis que le reste de la puce va à une fréquence inférieure. Une autre raison est l’interfaçage entre deux composants allant à des vitesses différentes, par exemple pour faire communiquer un processeur avec un périphérique.

Il arrive que deux domaines d'horloge doivent communiquer ensemble et s'échanger des données, et l'on parle alors de clock domain crossing. Et cela pose de nombreux problèmes, du fait de la différence de fréquence. Les deux domaines d'horloge ne sont pas synchronisés, n'ont pas la même fréquence, la même phase, rien ne colle. Dans les explications qui suivent, on va prendre l'exemple de l'échange d'un bit entre deux domaines d'horloge, qui va d'un domaine d'horloge source vers un domaine d'horloge de destination. Dans ce cas, on peut passer par l'intermédiaire d'une bascule inséré entre les deux domaines d'horloge, bascule cadencée à la fréquence du domaine d'horloge source.

Mais pour l'échange d'un nombre, les choses sont plus compliquées et insérer un registre entre les deux domaines d'horloge ne marche pas. En effet, lors d'un changement de valeur du nombre à transmettre, tous les bits du nombre n'arrivent pas au même moment dans le registre. Il est possible que le domaine d'horloge de destination voit un état transitoire, où seule une partie des bits a été mise à jour. Le résultat est que le domaine d'horloge de destination utilisera une valeur transitoire faussée, causa tout un tas de problèmes. Pour éviter cela, les nombres transmis entre deux domaines d'horloge sont encodés en code Gray, dans lequel les états transitoires n'existent pas. Pour rappel, entre deux nombres consécutifs en code Gray, seul un bit change.