“航空城砥柱?阎良好人”推荐评选活动--孝老爱亲
In der Elektronik bezeichnet man mit Glitch [] eine kurzzeitige falsche Signalausgabe in logischen Schaltungen oder tempor?re Verf?lschung des Ausgangswertes einer booleschen Funktion. Diese tritt auf, weil die Signallaufzeiten in den einzelnen Gattern niemals vollkommen gleich sind. Die Verf?lschung beruht auf Wettl?ufen von Signalwechseln auf verschiedenen Signalpfaden der Schaltung. Die Ursache des Signalwettlaufs wird daher auch als Race Condition bezeichnet. Die Anf?lligkeit für Glitches steigt mit der Komplexit?t, der Geschwindigkeitserh?hung und der Verkleinerung der Schaltungen, kann aber auch bereits bei sehr einfachen Schaltungen vorhanden sein. Sie stellen ein wesentliches Problem bei der Entwicklung moderner elektronischer Schaltungen und schneller Mikroprozessoren dar, allerdings war auch schon ?ltere elektromechanische Relaistechnik betroffen.
Die Ursache eines Glitches oder Spikes ist eine Eigenschaft der in einer elektronischen Schaltung realisierten logischen Schaltfunktion (Boolesche Funktion), die als Hazard bezeichnet wird.[1] Dabei muss man deutlich unterscheiden zwischen dem Hazard, als Eigenschaft einer Schaltfunktion und dem Glitch oder Fehlerimpuls am Ausgang einer Hardwarerealisierung der Schaltfunktion. Strukturelle Hazards (logische Hazards) k?nnen durch ?nderung der Schaltfunktion beseitigt werden, wodurch Glitche prinzipiell beseitigt werden. Funktionale Hazards (Funktionshazards) sind jedoch unver?nderlich oder h?chstens durch ?nderung der Schaltfunktion zu eliminieren. Darum wird in sequentiell arbeitenden Schaltungen wie beispielsweise in Computern generell eine Synchronisierung mehrfacher Signalwechsel durch ein Taktsignal vorgenommen, um m?gliche Glitche zu vermeiden, die ansonsten gespeichert werden k?nnten. Dadurch wird die maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Computers begrenzt.
Wortherkunft
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Laut einschl?gigen Nachschlagwerken, etwa Random House’s American Slang, kommt der Begriff vom deutschen Wort glitschen über das jiddische gletshn (?schlittern oder rutschen“) in das Englische. Es ist jedenfalls ein ziemlich neuer Begriff, der erstmals am 20. Juni 1965 von Bennett Cerf für das amerikanische Publikum in der Sendung What’s My Line wie folgt definiert wurde: ?Wenn in Cape Kennedy etwas schief l?uft, dann sagen sie, es sei zu einem unbedeutenden Glitch gekommen.“ Der Astronaut John Glenn erkl?rte den Begriff in seinem Buch Into Orbit folgenderma?en:
?Ein anderes Wort, das wir verwendeten, um einige unserer Probleme zu beschreiben, war ?Glitch‘. Genaugenommen ist ein Glitch der Spannungswechsel in einem Stromkreis, zu dem es kommt, wenn dem Stromkreis pl?tzlich ein neuer Abnehmer hinzugefügt wird. Ihnen ist wahrscheinlich schon das kurze Schw?cherwerden der Lichter in Ihrem Haushalt aufgefallen, wenn sie etwas einschalten oder den Trockner oder den Fernsehapparat aufdrehen.“[2]
John Daily definierte den Begriff in der Ausgabe vom 4. Juli 1965 derselben Sendung weiters als Wort, das von der Air Force in Cape Kennedy im Zuge der Raketenstarts dann verwendet wird, wenn etwas schiefl?uft und man nicht wirklich feststellen kann warum; dies sei es, was dann ein Glitch genannt wird. Das Time Magazine vom 23. Juli 1965 führte in einem Artikel aus: Glitch sei das Wort von Raumfahrern für irritierende Turbulenzen. Der Begriff ist dann w?hrend des Wettlaufs ins All der 1960er Jahre in die Alltagssprache übergegangen, wo es kleinere Fehler in der Hardware bezeichnete, die nur schwer ausfindig gemacht werden konnten.[3][4]
Beispiel
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Erkl?rung der Schaltsymbole siehe: Logikgatter #Typen von Logikgattern und Symbolik
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Grafik 1 – die Schaltung
Es sei eine Schaltung gegeben, die drei Eing?nge besitzt: x0, x1 und x2. Sie soll den Wert ?1“ liefern, wenn mindestens eine der beiden Bedingungen erfüllt ist:
Trifft nicht wenigstens eine der beiden Bedingungen zu, soll sie ?0“ ausgeben. |
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Situation 1 – Die Schaltung liefert wie gewünscht eine 1
Die Schaltung befinde sich jetzt in Situation 1. Laut unseren Vorgaben ist die erste Bedingung erfüllt, n?mlich x1 und x0 sind ?1“. Die Verzweigungen, die die Information ?1“ tragen, sind rot dargestellt. Der Inverter wandelt die eingehende ?1“ in eine ?0“ um. Daher l?sst das nachfolgende Und-Glied kein Signal mehr durch, gibt also eine ?0“ aus. Die gesamte Schaltung (ODER-Glied) liefert aber dennoch eine ?1“, da das andere UND-Glied die ?1“ liefert. |
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Situation 2 – Inverter verursacht einen Glitch
In Situation 2 soll x1 = 0 und x2 = 1 sein. Die Schaltung soll weiterhin eine ?1“ ausgeben. Der Inverter ben?tigt allerdings eine gewisse Zeit, um die Umwandlung des x1-Signals von ?0“ in eine ?1“ wahrzunehmen. Für kurze Zeit ist sowohl x1 = 0, als auch (x1)’ = 0. Dieser Umstand wird so verarbeitet, als ob keine der Bedingungen erfüllt ist und gibt folglich eine ?0“ aus. Diese Situation bezeichnet man als Glitch. |
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Situation 3 – Die Schaltung gibt wieder den korrekten Wert aus
Nach einiger Zeit – in der Gr??enordnung von Nanosekunden – befindet sich die Schaltung in Situation 3: der Inverter hat die neue Information verarbeitet. Die jetzt ausgegebene ?1“ l?uft in das UND-Gatter, welches (wieder nach kurzer Verz?gerung) dann auch eine ?1“ liefert. Die gesamte Schaltung liefert nun die gewünschte ?1“. |
Unterscheidungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Funktions- und Struktur-Glitches
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Funktionshazards entstehen durch den gleichzeitigen Belegungswechsel von mehr als einer Variable. Diese Hazards k?nnen durch geeigneten Belegungswechsel (Gray-Codierung), durch Taktung oder durch eine Verz?gerung (RC-Glied am Ausgang) vermieden werden.
Strukturhazards entstehen bei Schaltungen mit mehr als einer Stufe durch den Wechsel von einem Block im KV-Diagramm (= Gatter in der Schaltung) in einen angrenzenden Block (keine überlappende Bl?cke im KV-Diagramm). Diese Hazards k?nnen vermieden werden durch die Realisierung redundanter Primkonjunktionen (überlappende Bl?cke im KV-Diagramm) oder durch Taktung.
Nach dieser Nomenklatur handelt es sich bei dem oben gegebenen Beispiel um einen Strukturhazard.
Statische und dynamische Glitches
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Es gibt zwei Arten von Glitches: statische und dynamische. Statisch ist ein Glitch dann, wenn kein Wechsel im Ausgabewert erfolgen soll, der Glitch aber kurzzeitig den anderen Wert liefert. Ein dynamischer Glitch springt dagegen nach einem Wechsel auf den neuen Wert noch einmal kurz auf den alten zurück.
Je nachdem, ob der Glitch beim Wechsel auf eine 1 oder auf eine 0 stattfindet, unterscheidet man weiterhin 0-Glitches oder 1-Glitches.
Bedeutung von Glitches
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]In der Praxis existieren Laufzeitunterschiede auch in Gattern desselben Typs oder in den unterschiedlich langen Leitungen. M?chte man den exakten Wert der Funktion wissen, muss man eine entsprechende Zeit warten bis alle Glitches beseitigt sind. Diese Tatsache beschr?nkt wesentlich die Taktfrequenz moderner Prozessoren.
Beseitigung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ein wichtiges Hilfsmittel zum Entwurf von Schaltfunktionen sind die Karnaugh-Diagramme. Im Prinzip ist es also m?glich, auch gr??ere Schaltungen ohne Glitches zu realisieren. Man ben?tigt dazu aber weitere Komponenten in der Schaltung und schon bei etwas komplexeren Aufbauten wird deren Zahl enorm gro?, was die Schaltung verteuert. Es gilt einen guten Kompromiss zu finden zwischen den Kosten des Schaltkreises und der Dauer der Glitches.
Vermeiden der Auswirkung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]D-Flip-Flops
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Auswirkungen von Glitches k?nnen in synchronen Schaltungsdesigns durch nachgeschaltete D-Flipflops verhindert werden. Die Idee dabei ist, dass die Ausg?nge der kombinatorischen Schaltungsteile, bestehend aus diversen Gattern unterschiedlicher Laufzeit, erst dann gültige Zust?nde annehmen müssen, wenn die Taktflanke die Ausgangswerte in die D-Flipflops übernimmt. In der Zeit zwischen zwei Taktflanken k?nnen im kombinatorischen Teil durch Laufzeiteffekte beliebig viele Glitches auftreten, da diese Zwischenzust?nde nicht durch das nachgeschaltete D-Flipflop beachtet werden. Der Nachteil ist, dass als kleinste aufl?sbare Zeitspanne die Taktperiode des D-Flipflops auftritt und kein zeitkontinuierliches Ausgangssignal wie bei einer rein kombinatorischen Schaltung mehr vorliegt.
Das Verfahren, die Ausg?nge von kombinatorischen Schaltungsteilen immer mit D-Flipflops zu versehen, ist eine der wesentlichen Grundlagen für stabile, digitale Schaltungsdesigns in komplexen, freiprogrammierbaren FPGAs.
Angleichung der Verz?gerungszeiten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Im obigen Beispiel k?nnte dieses Vorgehen darin bestehen, in den oberen Zweig der vom Eingang ×1 ausgehenden Leitung ein weiteres (funktionsloses) Gatter einzufügen, damit die Signal?nderung die beiden UND-Gatter gleichzeitig erreicht. Dieses Verfahren ist allerdings mit einigen Unsicherheiten behaftet und liefert nicht sicher das gewünschte Ergebnis.
Systematische Vorgehensweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die bessere Methode ist die systematische Vorgehensweise. Dazu optimiert man das der betreffenden Schaltung zugrundeliegende KV-Diagramm. Das zum obigen Beispiel geh?rende Diagramm zeigt zwei Bl?cke, die durch die beiden UND-Gatter realisiert sind (Disjunktive Normalform). Der Hazard entsteht beim übergang zwischen diesen beiden Bl?cken. Aufgel?st wird der Hazard, wenn man diesen übergang mit einem weiteren, von der Logik her überflüssigen, Block überbrückt, der sich mit beiden Bl?cken überlappt: x0 und x2 sind gleichzeitig ?1“. In der resultierenden Schaltung muss dann entsprechend ein weiteres UND-Gatter eingefügt werden. Die Schaltung kann dann aber statisch nicht mehr vollst?ndig getestet werden, da ein fehlerhaftes UND-Gatter nicht auff?llt. Der Hazard kann bei den heutigen Gatterlaufzeiten messtechnisch nicht aufgenommen werden.
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Zu beachten ist allerdings, dass sich nicht nur unterschiedliche Laufzeiten von einzelnen Gattern in Form von Glitches auswirken k?nnen, sondern auch die unterschiedlich langen Laufzeiten der Signale in den Verbindungsleitungen. Dazu müssen die einzelnen Verbindungsleitungen mit Hilfe der Leitungstheorie modelliert werden. Diese Laufzeiten werden bei der systematischen Aufl?sung mittels KV-Diagrammen nicht beachtet. Daher ist dieses Verfahren nur verwendbar bei vergleichsweise niedrigen Schaltfrequenzen (=quasistation?rer Fall) bzw. diskreten Schaltungsteilen, die mit entsprechend abgestimmten Verbindungsleitungen betrieben werden. Bei hohen Signalraten, wobei 100 MHz als grober Richtwert verwendet werden kann, und wenn auf die konkrete Signalführung (z. B. bei einer Verschaltung innerhalb von FPGAs) vom Entwickler nur geringer Einfluss genommen werden kann, liefern auch aufgel?ste kombinatorische Schaltungen keine glitch-freien Designs.
Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Weblinks
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- interaktive Applets: Funktionshazards. TU Ilmenau.
- interaktive Applets: Strukturhazards. TU Ilmenau.
- Messtechnische Untersuchung von Glitches in einem FPGA. mikrocontroller.net
Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ Werner Roddeck: Mehrfacher Signalwechsel in Schaltnetzen und asynchronen Schaltwerken. Schriftenreihe des Lehrstuhls für Mess- und Regelungstechnik, Ruhr-Universit?t Bochum, 1977.
- ↑ Ben Zimmer: The Hidden History of Glitch. visualthesarus.com
- ↑ glitch. In: dictionary.reference.com. Abgerufen am 15. Oktober 2012 (englisch).
- ↑ glitch. In: etymonline.com. Abgerufen am 15. Oktober 2012 (englisch).