Delay insensitive circuits -- structures, semantics, and strategies 1st edition dennis furey - The l

Page 1


Visit to download the full and correct content document: https://textbookfull.com/product/delay-insensitive-circuits-structures-semantics-and-str ategies-1st-edition-dennis-furey/

More products digital (pdf, epub, mobi) instant download maybe you interests ...

Biota Grow 2C gather 2C cook Loucas

https://textbookfull.com/product/biota-grow-2c-gather-2c-cookloucas/

Test Generation

of

Crosstalk Delay Faults in VLSI Circuits S. Jayanthy

https://textbookfull.com/product/test-generation-of-crosstalkdelay-faults-in-vlsi-circuits-s-jayanthy/

Public Relations Strategies and Tactics Dennis L. Wilcox

https://textbookfull.com/product/public-relations-strategies-andtactics-dennis-l-wilcox/

Real estate investment strategies structures decisions

Second Edition Andrew Baum

https://textbookfull.com/product/real-estate-investmentstrategies-structures-decisions-second-edition-andrew-baum/

Semantics of the Probabilistic Typed Lambda Calculus Markov Chain Semantics Termination Behavior and Denotational Semantics 1st Edition Dirk Draheim (Auth.)

https://textbookfull.com/product/semantics-of-the-probabilistictyped-lambda-calculus-markov-chain-semantics-terminationbehavior-and-denotational-semantics-1st-edition-dirk-draheimauth/

Presidential Elections Strategies and Structures of American Politics Fourteenth Edition David A. Hopkins

https://textbookfull.com/product/presidential-electionsstrategies-and-structures-of-american-politics-fourteenthedition-david-a-hopkins/

School Centered Interventions Evidence Based Strategies for Social Emotional and Academic Success Dennis J Simon

https://textbookfull.com/product/school-centered-interventionsevidence-based-strategies-for-social-emotional-and-academicsuccess-dennis-j-simon/

Topics of Family Business Governance: Insights on Structures, Strategies, and Executives Hermut Kormann

https://textbookfull.com/product/topics-of-family-businessgovernance-insights-on-structures-strategies-and-executiveshermut-kormann/

Semantics of evidentials 1st Edition Murray

https://textbookfull.com/product/semantics-of-evidentials-1stedition-murray/

Thisdrafthasbeenstuckthiswaysince June30,2019.Thecurrenteditionisat http://www.delayinsensitive.com

Copyright©2019DennisFurey.

Thisworkislicensedundera CreativeCommons“AttributionNonCommercial-ShareAlike4.0International” license.

See https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.en formoreinformation.Commerciallicensesareavailableonrequest.

ISBN:978-1-9161681-0-7

PlumsteadPublishingHouse,London

... dedicatedtoMarkJosephs,whopatientlymentoredarecalcitrantstudentofthissubject

1.2.1Technologicalneutrality

1.2.2Configurabledevices

1.2.3Concurrencytheory

1.3Randomtipsonreadingthisbook

2.1Hownottodoitwithlogicgates

2.1.1Towardsareusableimplementation

2.1.2Aconceptofsignalingprotocols

2.2HownottodoitwithDIprimitives

2.2.1Betterbuildingblocks

2.2.2Implicationsofthecurrentsolution

2.2.3Waysforwardfromthecurrentsolution

2.3Hownottocompromise

2.3.1Atwo-outputprimitive

2.3.2DIversusQDI

2.3.3Yetanothermajoritygate

2.3.4Backtothedrawingboard

2.4Judgmentday

2.4.1Whatasequencerdoes

2.4.2Howasequencerenablesamajoritygate

2.4.3Implicationsofthissolution

3.1Overview

3.2.1Processconcepts

3.2.2Generality

3.2.3Environments

3.3Blockdiagrams

3.3.1Notation ..........................................45

3.3.2Methodology .......................................45

3.3.3Flattening

3.4Towardsaprocesssemantics

3.4.1Tracestructuralcomposition

3.4.2Deficienciesofanaivetracestructuralcomposition

3.5Petrinets

3.5.1NotationandconventionsofPetrinets

3.5.2ExpressivenessofPetrinets

3.5.3CompositionalityofPetrinets .............................52

3.5.4LimitationsofPetrinets ................................54

3.6Proceduraldescription ......................................55

3.6.1Combinatorexamples

3.6.2Repetition

3.6.3Conditionalexecution

3.6.4Adaptationtoanenvironment

4.1Reachabilitygraphs

4.1.1Exampleofareachabilitygraph

4.1.2Reachabilitygraphalgorithms

4.2Thetransducermodel

4.2.1Operation

4.2.2Limitations

4.2.3Utility

4.3Tracesrevisited ..........................................75

4.3.1Progressobligations ..................................75

4.3.2Quiescenttraces

4.3.3Refinement

4.3.4Traceanalysis

4.4Fromtransducerstotracerecognizers

4.4.1Apreliminarysubgraph ................................78

4.4.2Thecompletegraph ...................................79

4.4.3Edgecases ........................................79

4.4.4Othertracerecognizers ................................80

4.5Interimremarks ..........................................83

5.1Mathematicalconventions

5.1.1Mapping

5.1.2Domainsandranges

5.1.3Cases

5.1.4Ordinals ..........................................89

5.2FromPetrinetstoprocesses ..................................90

5.2.1Aconcretemodel ....................................90

5.2.2Presetsandpostsets ...................................91

5.2.3Hackingtheuniverse ..................................92

5.2.4OpenPetrinets .....................................92

5.2.5Processmodels ......................................93

5.3Editingoperations ........................................94

5.3.1Rewriting .........................................94

5.3.2Sums ............................................97

5.3.3Differences ........................................99

5.3.4Completion ........................................99

5.4Processcombinators .......................................102

5.4.1Communication .....................................102

5.4.2Parallelcomposition ..................................102

5.4.3Environmentalrestriction ...............................103

5.4.4Sequentialcomposition ................................103

5.4.5Choice ...........................................105

5.4.6Recursion .........................................111

6ReachabilityGraphWrangling 121

6.1Mathusage .............................................121

6.1.1Graphs ...........................................122

6.1.2Partitions .........................................127

6.1.3Ordinals ..........................................127

6.2Initialreachabilitygraph

6.2.1Overview

6.2.2Derivation

6.3Divergencepropagation

6.3.1Divergentvertices

6.3.2Disabledinputs .....................................132

6.3.3Numberedvertices

6.4Anonymousedgereduction

6.4.1Overview

6.4.2Derivation

6.5Redundantpathelimination

6.5.1Overview

6.5.2Derivation

6.6Partitionfusion

6.6.1Overview

6.6.2Derivation

7TransducerTuning

7.1Finiteautomata

7.1.1Sequences

7.1.2Bracketnotation

7.1.3Stategraphs

7.1.4Deterministicfiniteautomata .............................160

7.1.5Non-deterministicfiniteautomata ..........................161

7.2Thetransducer ..........................................161

7.2.1Overview .........................................162

7.2.2Derivation ........................................166

7.3Serialtransducers .........................................169

7.3.1Overview .........................................169

7.3.2Derivation ........................................172

7.4Tracerecognizers .........................................175

7.4.1Non-deterministicrelationaltracerecognizer ...................175

7.4.2Deterministicrelationaltracerecognizer ......................177

7.4.3Behavioralequivalence .................................179

7.4.4Alternativeextensionaldescriptions .........................179

7.5AcanonicalformforPetrinets .................................181

7.5.1Overview .........................................181

7.5.2Preparation ........................................186

7.5.3Specification .......................................191

7.6Processcombinatorsrevisited .................................193

8BlockBuilding

8.1Onlists ...............................................196

8.1.1Creatingalist ......................................196

8.1.2Deletingfromalist ...................................197

8.1.3Foldingoveralist ....................................198

8.1.4Mappingoveralist ...................................198

8.1.5Inverseofalist .....................................198

8.1.6Flatteningalist .....................................200

8.1.7Transposingalist ....................................200

8.2Primitiveblocks ..........................................200

8.3Hierarchicalblocks ........................................201

8.3.1Blockcombinators ...................................203

8.3.2Blockalgebra .......................................204

8.4Netlists ...............................................205

8.4.1Conventionsaboutschematics ............................205

8.4.2Specifyingaschematicbyanetlist ..........................206

8.5Fromhierarchicalblockstonetlists ..............................207

8.5.1Primitiveblocks .....................................208

8.5.2Non-unitlists .......................................208

8.5.3Unitlists ..........................................209

8.5.4Thetransformation ...................................210

8.6Fromhierarchicalblockstoprimitiveblocks ........................210

8.6.1Non-unitlists .......................................210

8.6.2Unitlists ..........................................211

8.6.3Thetransformation ...................................212

8.7Fromblocksandnetliststoprocesses .............................212

8.7.1Alphabetsoup ......................................213

8.7.2Moretransformations

8.7.3Generalizedrefinement

8.8Connectionpatterns .......................................216

8.8.1Schematiccapture

8.8.2Permutations .......................................221

8.8.3Generalizedterminalrotations

8.9Repetitivestructures

8.9.1Arrays

8.9.2Cascades

9AsPrimitiveasCanBe

9.1Petrinetoptimizations

9.1.1Parallelfusion

9.1.2Serialtransitionfusion

9.1.3Serialplacefusion

9.1.4Self-loopplaceremoval

9.1.5Self-looptransitionremoval

9.1.6Redundantcycleremoval

9.1.7Miscellaneousstaticoptimizations

9.1.8Thewholemix

9.2Blockoptimizations

9.2.1Overview

9.2.2Specifications

9.3DIprimitives

9.3.1Thecontinuingsaga

9.3.2Universality

9.3.3Cardinalityandmodularity

9.3.4Specifications ......................................254

9.3.5Implications

9.4GeneralizedDIprimitives

9.4.1Three-terminalprimitivegeneralizations

9.4.2Arbitergeneralizations

10Decisions,Decisions

10.1Orderedtrees

10.2Cascadingplanardecisionwaits ................................275

10.2.1Lateral

10.2.2Bilateral

10.2.3General

10.3Quadrangulardecisionwaits

10.3.1Basic

10.3.4Arevisedplanardecisionwaitgeneratingfunction

10.4Multidimensionaldecisionwaits

10.4.1Dendriform

10.4.2Crossbar

10.5Decisionwaittransformations

10.5.1Permutingalongtheaxes

10.5.2Permutingtheaxes

10.6Optimizeddecisionwaits

10.6.1Globaldecompositions

10.6.2Quadrangular

10.6.3Dendriform

10.6.4Crossbar

10.6.5General

11ThinontheGround

11.1Notation

11.1.1Ordinals

11.1.3Flattening

11.1.4Coordinates

11.2Sparsedecisionwaittransformations

11.2.1Coordinatetransformations

11.3Fallbackposition

11.3.1Degenerate

11.4Planarsparsedecisionwaits

11.4.1Spanning

11.4.2Enmeshed

11.5Multidimensionalsparsedecisionwaits

11.5.1Dendriform

11.5.2Crossbar

11.6Optimization

11.6.1Sparseglobaldecompositions

11.7Verification

11.7.1Alphabetordering

11.7.2Inputsymbolassignment

11.7.3Outputsymbolassignment

11.7.4Processspecification

12AllAboutArbiters

12.1.1Scalarmultiplication

12.1.2Permutations .......................................362

12.1.3Zippedfunctionapplication

12.1.4Probabilitytheory

12.2Arbiterdecompositions

12.2.1Mesh

12.2.2Dendriform

12.2.3Tokenring

12.3.1Probabilityvectorsanddistributions

12.3.2Incrementaltransferfunction

12.3.3Incrementaltokendistribution

12.3.4Cumulativetransferfunction

12.4Accesspatterns

12.4.1Spatiallocality

12.4.2Temporallocality

13PuttingtheWordOut

13.1Peptalk

13.1.1Atwo-wireprotocol

13.1.21-hotcodes

13.1.3Dualrailcodes

13.1.4Constantweightcodes

13.1.5Generaldelayinsensitivecodes

13.1.6Terminology

13.2Encoders

13.2.1Basic

13.2.2Frontoptimized

13.2.3Backoptimized

13.3Decoders

13.3.1Basic

13.3.2Joinable

13.3.3Factorable

13.3.4Partitionable

13.3.5General

13.4Completiondetectors

13.4.1Sequencers

13.4.2Majoritygates

13.4.3Recurrence

13.5Transcoders

14.1Arithmeticunits

14.1.1Adders

14.1.2Subtracters

14.1.3Buffers

14.2DualrailtoSpernercodeconversion

14.2.1Transcodingalgorithm

14.3.1Preparation

14.3.2Derivation

14.4Parallelism

14.4.1Dualrailtoggles

14.4.2Channeldemultiplexers

14.4.3Channelmultiplexers

14.4.4Micropipelinecontrollers

15.1Overview

15.1.1Theuncomplicatedcase

15.1.2Complications

15.1.3Non-quiescentprocesses

15.1.4Non-deterministicallyconcurrentprocesses ....................495

15.2Transducertypes .........................................499

15.2.1Anti-refinedtransducers ................................499

15.2.2Feedbackanti-refinedtransducers

15.3Basicsynthesis

15.3.1Decomposition

15.3.2Buildingblocks

15.3.3Combiningform

15.3.4Looseends

15.4Inputreduction ..........................................519

15.4.1Decomposition

15.4.2Combiningform .....................................525

15.5Statereduction ..........................................526

15.5.1Decomposition

15.5.2Combiningform

15.6Separation

15.6.1Decomposition

16.1Overview

16.2Mutualrecurrences

16.2.1 Adhoc

16.2.2Solutionbylistsoffunctions

16.2.3Solutionbydependencegraphs

16.3Refinedcanonicalforms

16.4Decomposition

16.5Interactingstatebasedsyntheticcommunities

16.5.1Places

16.5.2Statebasedtransitionarrays

16.5.3Communities

16.5.4Combiningform

16.6Interactingdirectmappedsyntheticcommunities

16.6.1Overview

16.6.2Transitions

16.6.3Lockabletransitions

16.6.4Monitors

16.6.5Directmappedtransitionarrays

16.6.6Communities

16.7Stateimplosion

16.7.1Anaivesolution

16.7.2Abettersolution

16.7.3Concludingremarks

B.1Theoreticalprimer

B.1.1Standardfixedpointconstruction

B.1.2Continuity

B.1.3Orderingoffunctions

B.2RelevancetoDIprocesses

B.2.1CPOStructure

B.2.2Leastupperbounds

B.2.3Continuityofprocesscombinators

B.3Furtherwork

CDecisionWaitMetrics

C.1Componentcount

C.1.1Multidimensional

C.1.2Quadrangular ......................................588

C.1.3Cascading .........................................589

C.2Criticalpathlength ........................................590

C.2.1Cascading

C.2.2Quadrangular

C.2.3Dendriform

C.2.4Crossbar

C.2.5General

D.1Latenciesasavectorspace

D.2Comparisonoflatencyvectors .................................604

D.2.1Manhattandistances ..................................604

D.2.2Expectedseparations

D.2.3Expectedwiredelays

D.3Parallelcombinationoflatencyvectors

E.1Contention

E.2Criticalpathlength

E.2.1Tree

E.2.2Mesh

E.2.3Tokenring

Part I BackgroundandMotivation

Wearecalledtobearchitectsofthe future,notitsvictims.

WHYTO STUDY DELAY INSENSITIVE CIRCUITS

Thequestforperformant,robustelectronicsfordataandsignalprocessingapplicationshasoften dependedonthehelpofasmallclose-knitfactionofspecialistsinasynchronouscircuitdesign workingonthemarginsofthebroaderengineering community [40].Onthoserarebutdreadedoccasions whenitstechnicaldebtcomesdue,thedeeplyheld assumptionofdiscreteglobaltimeinsynchronous design(asopposedto asynchronous design)harshly reaffirmstheneedfortheiresotericskills.Sometimes incrementalprogressisachievablebyacombination ofsynchronousandasynchronouscircuitrycarefullyorganizedasfaraspossibletoinsulatethe majorityofengineersfromunwelcomecontingencies.Forexample,whenfollowingthe Globally AsynchronousLocallySynchronous(GALS)methodology [67, 281, 294],themainlysynchronous designerproceedsmorewarilybutotherwisethesameasusualforcircuitsuptoacertainsizeand complexity,anddefersreluctantlytoasynchronousinterfacetechniquesonlyatthepointwhere theliabilitiesofsynchronousdesignbecomeimpossibletoignore(duetoheatdissipation,clock skew,powerconsumption,metastability,electromagneticinterference,ortheprohibitivecostand performancepenaltiesofaglobalclockdistributionnetwork).1

TheingenuityoftheGALSmethodologyasaresponsetoagivenregimeofculturalandbusiness constraintscanonlybeadmired,butitinvitesspeculationaboutthegreaterthingsthatcouldbe achievediftheasynchronousdesignerwereallowedafreerhand.Anotableeffortinthisdirection wastheinvestigationofsocalled DelayInsensitive (DI)circuits,pioneeredmainlyduringthe 1990s.Astyleofcircuitsdesignedfromthegroundupforasynchronousoperationandscalableto anysize,theywereseentolendthemselvestoatightlycohesivetheoreticalframeworkenabling afullcomplementofrigorouslywellfoundedsynthesisandverificationtools.Amongthemost

1See [68, 274] foranintroductoryoverviewofasynchronousdesign, [50, 140] forananecdotalhistoryfromthetrenches, and [280] formorerecentindustrialapplications.

CHAPTER1.WHYTOSTUDYDELAYINSENSITIVECIRCUITS

promisingimplicationswerefewerbugs,lesstediumforthedesigner,lowerpowerconsumption, andmechanicallycheckablesemantics-preservingoptimization.

1.1Audience

Theaimofthisbookistopresentacuratedstudyofonepossibleroutetothetopicofdelay insensitivity.Whilethetreatmentismeanttobeaccessibletonon-specialists,thelevelofdetail ispitchedtoenableasufficientlymotivatedreaderto replicateanyofthetechniquesdiscussed.Whethera spectatororparticipant,theidealreaderisenvisioned asan inpert:theoppositeofanexpert,self-directed withaneyeonthefuture,notundulyconstrainedby preconceptions,norlackinginskepticism,butwilling toforgiveanoccasionaldeparturefromconvention intheserviceofaworthycause.Priorknowledgeof digitalcircuitdesignisnotrequiredandcouldwellbe ahindrance,butabasiccollegeundergraduate-level orauto-didacticacquaintancewithdiscretemathis assumed(e.g.,functions,sets,relations,graphs,statemachines etc. [159, 163],andmaybeasplash ofprobabilitytheoryforjustonechapter).Readerswishingtodigmoredeeplyshouldfindenough materialinthebibliographytokeepthembusy.Wherepossible,freelyavailablebooks,dissertations, technicalreports,anddraftarticlesarecitedinpreferencetotheirpaywalledequivalents.

Whileallprospectivereadersaremorethanwelcome,itisonlyfairtotempertheexpectations ofsome.Workingengineerswhohavecometogriefovertimingissuesatalatestageofanexisting projectprobablywouldbebetterservedeitherbytheGALSapproachcitedaboveorby [266],the bestavailablereferenceon SpeedIndependent (SI)design(i.e.,notquiteDIbutclose),especially foritsstrongpracticalemphasis.See [20, 21, 134, 187, 263, 307] foradviceonautomatedtool support.Thepresenttextisgearedmoretowardfullcustomdesigns,mostlikelystartingfroma cleanslate.

Norshouldjobseekersexpecttheirknowledgeofthissubjecttobemuchofatalkingpoint. InpastyearsattheIEEE“Async”conferences,ateamleaderfromalargewellknowncompany beginningwiththeletter“I”claimedtorecruitasynchronousdesignersunderthesavvyassumption thattheyaremorecapablethanmost,evenifhehadnospecificneedfortheirasynchronous designskills [192],butlearningthissubjectasajobhuntingstrategywillremainalongshotuntil suchmanagerialshrewdnessbecomescommonplace.Itwouldbemoreeffectivetofamiliarize oneselfwithindustrystandardtechnologiesatleasttothelevelof [38] thantorelyondazzlingan interviewerwitharcana.

Rather,thisbookcallsforbeingreadinthespiritinwhichitwaswritten,asanidlediversionfor aboredstudent,engineer,entrepreneur,academicresearcher,ormaybeevenaforwardthinking managergiventowonderingwhetherourcurrentworkingpracticesarereallythebestwecan do.Itmaybesuitablereadingforthesummervacation,thedailycommute,thelonghaulflight, theextendedconvalescence,oranyotheroff-dutytime,especiallyPartI,whichcanserveasa self-containedbluffer’sguidetothesubjectbyvirtueofsoftpedalingthemath.Subsequentsections mayinspiremoretechnicallyorientedreaderswhoenjoyworkingthroughintricateprogramming problemsintheclassictraditionsofSICP [271] andTAOCP [143],especiallythosewithinterestsin compilers,designautomation,formalmethods,orcombinatorialoptimization.

1.2Motivation

Thedelayinsensitivestylepresentedinthisbookisnottheonlywayofdesigningcircuits,noreven theonlywayofdesigningasynchronouscircuits.Alternativedesignphilosophiesdifferintheir assumptionsabouttiming [104].Beforeexploringthedetails,itisreasonableforareadertoask whetherDIcircuitsareworthstudyingatall,especiallywiththeirdearthofrecentresearchactivity. Severalpossiblemotivationsareexplainedintheremainderofthissection.

1.2.1Technologicalneutrality

Despitethewaveofacademicresearchpublicationsextollingthebenefitsand“increasinginterest” inasynchronousdesignduringthe1990s,therecouldhardlyhavebeenalessopportunetimefor anupstarttochallengetheestablishedpracticeofdigitalsystemdevelopment.Thesteadyadvance inperformanceofCMOStechnologyfollowingMoore’slaw [197],withsynchronousmethods andtools,fueledajuggernautthatposedaninsurmountablebarriertoentryforalmostanything asynchronous,withdelayinsensitivedesignpossiblythehardesthit.Whatevertheirsupposed merits,delayinsensitivecircuitsweredeemeduncompetitivebythemarketandfellbythewayside asaresearchtopic.However,withtheinitialtrendsin speedanddevicedensitieshavingabatedsomewhatsince then,thereisarenewedappetiteamongsometechnologiststocontemplatepossiblesuccessorstoCMOS(e.g. [33, 76, 92, 216, 229, 248, 251]),alongwiththerecognitionthatfamiliarassumptionsmightnotalwaysapply tonovelcontexts.

Modularity

Atruismincollegeengineeringcurriculaholdsthata wholecomputercanbebuiltinprinciplefromnothing butasingletypeofdevicecalleda NAND gate,implying thatthisdeviceisuniversalinsomesense.Initsstarksimplicity,the NAND gatealonesufficesforany computationwhatsoeverpurelythroughlocalinteractionswithother NAND gates.2 Anappealing idea,itsassertioncustomarilyentailstheunstatedassumptionofaclock,becauseeveryoneknows theclockalwaysgoeswithoutsaying.However,aglobalclockdistributionnetwork,muchlike scaffoldingonanunfinishedbuilding,amountstothebiggest,ugliest,costliest,noisiest,leastrobust non-localinteractionofall,andwithoutitthewholeflimsyedificecollapses.

Whatwouldhappenifsomeoneweretotakeseriouslytheideaofpracticalgeneralpurpose computationemergingfromgenuinelylocalinteractionsamongsimpleentities,andwasprepared eventodisregardfamiliarconventionsofcircuitdesign?Itturnsoutthatlogicgatessuchasthe NAND andotherstandardmoduleswouldbecomelargelyirrelevant,butadifferentclassofcomparably primitivecomponentswouldcometolightthataremoreversatileandlesstiedtoanyparticular implementationtechnology [81, 136, 223, 293].Thisoutcomefollowsnaturallyfromarelaxation ofthedemandtosimulateatimingregimethatisfundamentallyatoddswithphysics [83]

Theupshotisthatwhilethetechnologicallandscapemaychange,DIcircuitstravelwell.Being quintessentiallymodular,theirsemanticsisalwayscompletelydeterminedbythelocalinteractionsof

2Alesswrongstatementisthata NAND gatesufficestoimplementanyBooleanlogicfunction [137]

CHAPTER1.WHYTOSTUDYDELAYINSENSITIVECIRCUITS

alimitedassortmentofsimpleprimitivecomponentsasintended.Theprimitivecomponentsforma fixedsetthatcanbeunderstoodinstrictlyoperationaltermsbythedesignerwithoutreferencetothe underlyingimplementationtechnology.Muchofthejobofportingadesignfromonemanufacturing processtoanotherreducestoportingtheprimitives.

Migration

Atthiswriting(late2010s),thesuccessortoCMOSisanyone’sguess,anditisprudenttobe preparedforwhatevermayfollow.Itwouldbemostunfortunateifafuturephysicist,chemist, biologist,ormaterialsscientistweretooverlooksomenaturalphenomenonthatcouldsupport theimplementationofDIprimitives(e.g., [46, 205, 224, 238]),andtheriskofsuchsetbacksis aggravatedbyagenerallackofawarenessofthistopic.Specialistsinotherfieldscanhardlybe expectedtosecond-guessanearuniversalconsensusamongelectricalengineersthatlogicgatesare thefundamentalbuildingblocksofalldigitalsystems,muchlesstoinferthetacitqualificationthat thesedevicesarepracticallyuselessatscalewithouteithersomeverydelicatetimingassumptions oraclock.Hencewemaysometimeshearofbiochemistsdiscoveringingeniouswaystoimplement molecularlogicgates [70, 100],butdoingsoquitepossiblyinvainbyneglectingtodiscovera molecularclockdistributionnetworktogowiththem.Alternatively,inthemoreoptimisticscenario ofadiscovererofnaturallyoccurringDIprimitivesrecognizingtheimplications,theintellectual labortobesavedbyprevailingontheextantbodyofknowledgeshouldjustifyitspreservation.

1.2.2Configurabledevices

Oftenthedrivingforcebehindanupandcomingtechnology,from microcomputersduringtheearlyyearsthroughthecurrentcrop ofembeddeddevelopmentkitsandgraphicsco-processors,isadevotedfollowingofhobbyistsandenthusiasts. FieldProgrammable GateArrays (surveyedin [61, 151])wouldseemideallysituated toattractsimilarinterest,buthaveachievedonlylimitedsuccessin thatregardatbest.3 AlthoughundoubtedlydueinparttothemarketingfocusoncommercialdevelopersbythemajorFPGAvendors,thisunfortunatecircumstancemightbemoreaptlyexplainedby thehardtruththatFPGAprogrammingisalittletoomuchlikeworktofitmostpeople’sideaofa recreationalactivity.Thetruehacker’ssatisfactionderivesfromseeingtheemergentpropertiesof thebrainchildtakeonalifeoftheirown [37].Bycontrast,asystemthatmustbedragged,cajoled, prodded,andkicked,onlytoyieldalessinterestingreturnthanthesumoftheeffortexpended, lacksthisessentialallure.

DifficultieswithFPGAs

ThecurrentstateofFPGAtechnologyrelegatesthebulkofthedeveloper’sworkinglifetoanendless routineoftroubleshootingproblemswithtiming.Acorrectandcompletedesignwithrespecttothe semanticsofthespecificationlanguage [11, 301] isonlythebeginningoftherealwork.Itmayyet failinpracticeduetowireorcomponentlatenciesthatarenotmodeledinthelanguage.Norcan theybe,subjectastheyaretothevagariesofthesubsequent routing phase(i.e.,thepartabout connectingitalltogether).Chaoticphenomenaaresaidtobetheirownsimplestdescriptions(hence

3See [91, 302] foracoupleofFPGAhobbyprojectsifthelinksarestillalive,and [206] foracontrastingopinion.

impossibletosimulatepredictively [97, 173]),andsupportforsimulationinFPGAdevelopmentis tellinglyfragmentedandproprietary [15, 198].Whilepedagogicalexamplesofputtingafewgates togethermaysufficeforintroductorytutorialsandstudentprojects,highperformancecustomFPGA applicationsatscaleremainthepreserveofanelitefewwhorightlycommandamplecompensation (e.g., [234, 299]),belyingtheidealofFPGAsempoweringindividualsandsmallenterpriseswith in-househardwaredevelopmentcapability [13]

Routingisclearlyacomputationallyintensiveproblemandisnotsolvedassuchbydelay insensitivedesign [8, 62, 117, 147, 160, 164, 165, 285].However,adelayinsensitivestyleof specificationwouldberobustagainsttimingvariationsintroducedbytheroutingalgorithm,and hencewouldsucceedatleastwherethecurrentstateofFPGAtechnologyfailstoimpartaviable abstractionboundarybetweenspecificationandimplementation.Beyonditsphilosophicalappeal, thissimpleimprovementwouldhavetheverypracticalconsequenceofputtingrealisticFPGA developmentwithinthegraspofanyoneinapositiontocomprehendaprogramminglanguage, whileincidentallyeasingtheworkloadofexperiencedFPGAdevelopers.

WaysforwardforFPGAs

ItisnotpossibletoimplementacompletesetofDIprimitiveswithanycombinationofthelogic elementstypicallyprovidedbyindustrystandardFPGAboards [31, 105],andhencenotcurrently possibletoimplementgeneralpurposedelayinsensitivecircuitsasFPGAswithoutbuildingacustom researchprototype.Moreover,thedominantFPGAvendorsarefirmlycommittedtoacourseof synchronousarchitectureswithevermore baroque embellishmentsintendedtoremedytheirinherent shortcomings [54, 306].However,nothingcompelsalessentrenchedstakeholdertofollowsuit.

• AcrowdfundedcampaigntoproduceanewdelayinsensitiveFPGAboardwouldattractsmall enterprises,hobbyists,andadvocatesofopenstandards(e.g., [258, 262, 264, 265, 268]).

• AnotherrelevantplayermightturnouttobeaVCfundedstart-up.Whilenotlikelytoadvance openstandards,itwouldatleastcreatewealthforitsfoundersandinvestorsbycateringto anuntappedmarket.

• Furthermore,amoderatelevelofsporadicinterestinasynchronousFPGAspersistsamong academicresearchgroups,albeitfocusedmainlyonquasi-delayinsensitive [90, 177, 228, 282, 303] orotherhybriddelaymodels [119, 167] thatdonotfullyrelievethedesignerof theneedtocopewithtimingissues.

1.2.3Concurrencytheory

Someofthemostimportantbutinfamouslyslipperyproblemsin computersciencepertaintoconcurrentanddistributedsystems, suchascachecoherence [123] andlockfreesynchronization [107] Rigorouslydefinedmodelsofconcurrentcomputationhaveoccasionallyprovedhelpfulforreasoningaboutthem,includingstate machines [115],Petrinets [201],andvariousprocessdescription formalisms [36, 106, 113, 156].Asidefromtheirapplicationto hardwaredesign,delayinsensitivecircuitsoccupyanicheinthetaxonomyofprocessnetworksasa physicallyrealisticmodelofdistributedcomputationcharacterizedbyblockingreads,non-blocking writes,unbufferedchannels,andnon-deterministicprocessingelementsasnetworknodes.Ifthe

CHAPTER1.WHYTOSTUDYDELAYINSENSITIVECIRCUITS

lengthofthisbookisanyindication,thissimplecombinationofconditionsisalsodemonstrably fertile.Themodeldeservescoverageinstandardcomputersciencecurriculaforwhateverfurther insightsitmaybring.

GeneralizationsofDIcircuits

Forpurposesofhardwaredesign,itisappropriatetolimittheprocessingelementstofinitelymany states,andthechannelstocarriersofnullarysignals,buttheseconstraintsneednotapplytoother contextswheresuchamodelmightbeofinterest.Thesemightincludethedesignofaprocess architectureforareal-timeembeddedcontrolsystem,orthemulti-threadedsoftwareimplementation ofacustomnetworkcommunicationprotocol.Inthesecases,theprimitivecomponentswould mapontothreadsofcontrolratherthancircuitelements,andthechannelswouldmapontothe relevantinter-processcommunicationinfrastructureratherthanphysicalwires.Althoughsoftware applicationsarenotinvestigatedinthisbook,onemightenvisionverificationofsuchadesign againsttheconstraintsofdelayinsensitivityhelpingtoestablishitsavoidanceofdroppedpackets duetobufferoverruns.

Anintermediatelevelofabstraction

Petrinetshavebeenthemethodofchoicetomodelmanyproblemsofthisnaturewithgoodreason, becausedesirableandusefulsystempropertiessuchassafetyandlivenessareusuallymechanically verifiableintermsofthePetrinetmodel.Ofcourse,theseassurancesarereliableonlyinsofar thePetrinetmodelactuallycorrespondstothesystemunderconsideration.Apotentialstrength ofdelayinsensitivecircuitsisthekindofstraightforwardmappingbetweenthemodelandthe implementationmentionedabove,diminishingtheopportunityforhumanerrorinidentifyingone withtheother.Moreover,asintroducedin Chapter3 andexploredfurtherinPartIII,DIcircuits canbeinterpretedasarestrictedformofPetrinets,allowingautomatedsemantics-preserving transformationbetweenthetwoandcombiningtheiradvantages.

1.3Randomtipsonreadingthisbook

Therearefourmainpartstothebookandseveralappendices,withmaterialallocatedtothelatterbasedon variouscriteria.Someofitisnotspecificallytopicalfor themaintext,andsomeismorespeculative.Somemay betoodetailedtointerestthemajorityofreaders,andnotallofitadherestotheaforementioned prerequisiteofanundergraduate-leveldiscretemathbackground.Givingtheappendicesamiss wouldnotinitselfdilutethemainmessageofthebook,butreadingthemmayprovidesomeideas forfurtherworkinthisarea.

Somereaders,otherwiseknownasgraduatestudents,reputedlypreferthebibliographyastheir firstpointofentrytoanypublication.Toassistthisaudience,everybibliographicalreferencelists thepagesinthetextwhereitiscited.Inelectronicversionsofthebook,thesepagenumbers areclickablehyperlinks.Inthisway,areadercanquicklygaugeitscredibilitybyscanningthe bibliographyforafamiliarnameortitleandjumpingtotherelevantsectiontoascertainwhether thereader’sinterpretationofthecitedworkaccordswiththeauthor’s(whichisnormallythatit corroborates,amplifiesorexemplifiesapointbeingmade).

Somereadersmaywonderwhetheritisworthchargingthroughallthemathjusttopick upafewcircuitdesignideas.Despiteappearances,thisbookisnotamathbook;itemploys mathematicalnotationonlyasneededtocommunicateunambiguously.4 Perhapsthisclaimwill meetwithskepticismfromnon-mathematicians.Totestit,anyreaderthusinclinedisinvitedto ignorethemathandjustlookatthecircuitdiagrams,gooffandcodethemupinVHDLorVerilog [214, 225],preferablyrunsomesimulations,andreturntothetextforafewpointersonlyinthe eventofanyunforeseendifficulty.5 Similarly,softwaredevelopersmayelecttocodeafewofthe algorithmsintheirpreferredstylebyreferringonlytotheinformalnarrativeandignoringanything withlambdanotationoranequationnumberinit.Ifthereturnsouttobenodifficultywhatsoever, thenbyallmeanswriteupanappendixtothateffectandsubmitapullrequest.

Eachchapterorappendixendswithashortseriesofquestionslimitedtoonepage.These questionsincludeverbatimremindersofkeypoints,straightforwardtestsofunderstanding,koans (i.e.,deliberatelyill-posedquestionswhosecontemplationelicitsinsight),conversationstarters, coffeebreaksizedproblems,weekendprojects,andopenendedprojects.Undoubtedlyareaderwill bemoredrawntosomethanothers,butshouldbeextremelycautiousaboutassumingaquestion iseasywithoutactuallyansweringit.Thissubjectseemstohaveanunusualaffinityforsimple questionswhoseanswersdemandseriousthought,andsomeofthemostinnocuousquestionsposed herearedistilledfromepichistoricaldebates.Nevertheless,becausethischapterisonlythefirst, wecanstartwithsomegenuinelyeasyoneswithnoimminentcauseforalarmifanyoftheanswers isnotyetclear.

Easy-peasyquestions

1. Whatisthedifferencebetweensynchronousandasynchronous circuits?

2. Howlonghasasynchronousdesignbeengoingon?(Alower boundissufficient.)

3. Bywhatcriteriashouldacircuitdesignerchoose amongDI,SI,andGALS?

4. WhatisaDIprimitive?

5. Whyshouldcircuitdesignerscareabouttechnologymigration?

6. Howstreet-credibleistheauthor’stakeonFPGAs?

7. Inlightofthefootnoteonpage 19,aretheremarksaboutuniversalityof NAND gates refutedbytheargumentthatanyfinitecomputationcanberealizedinprincipleby agiantlook-uptable?(hint:See [118] orlookuptheterm“hazard-free”.)

4Indeed,DIcircuitsarevirginterritoryforanyoneinterestedinautomatedtheoremproving.Synchronousoperationis notevenastatedaxiominmainstreamworkonverifiedhardware,butafixtureoftheformalismitself [207]

5nottoclaimthisispossible,butpresumablyagrumpyenoughreaderwillbethejudgeofthat

Wheneveryoufindyourselfonthe sideofthemajority,itistimeto pauseandreflect.

WHY DELAY INSENSITIVE DESIGNIS CHALLENGING

Arunningexampleinthischapterservesasagentleintroductiontosomeofthesubtletiesthat distinguishdelayinsensitivedesignasadisciplineworthyofabook-lengthexposition.These ideasarerefinedthroughaseriesofunsuccessfulbutprogressivelymorecarefuliterationsonadeceptivelysimple delayinsensitivedesignproblem.Thischapteriswritten bothforreaderswithnopriorknowledgeofcircuitdesign,andforthosewhowouldliketoknowwhymore familiarapproachestocircuitdesignareinadequateto ensuredelayinsensitivity.

Thetaskistodesignwhatiscalleda2-of-3 majority gate.Ithasthreeinputterminalsandoneoutputterminal. Wheneveritreceivesarequestonanytwoinputterminals, itemitsanacknowledgmentontheoutput.Althoughitisperhapsnotthemostsophisticated applicationinitself,itbringsagreatmanyimportantissuesintosharpfocus,anditprovidesa contextforthegraceful début ofafairamountofjargonandterminology.

2.1Hownottodoitwithlogicgates

Toavoidanymisunderstanding,lettheinputterminalsbenamed a, b,and c,andlettheoutputbe named x .Thentherequirementcanberestatedthatconcurrentinputsto a and b,orto a and c, orto b and c,shouldcauseanoutputtoappearon x .Tobeevenmoreprecise,wecanrephrase thisstatementasalogicalequivalenceusingsymbols ^ forconjunction(i.e.,meaningbothleftand rightoperandsaretrue)and _ fordisjunction(wheneitheristrue).

Figure2.1:logiccircuitfora2-of-3majoritygatecorrespondingto Equation2.1

Anormalcollegeengineeringtextbookstyleofsolutionwoulddrawinspirationfromthislogical relationshiptoconstructthecircuitshownin Figure2.1.Eachoftheinputs a, b and c iscarried byaforkedwiretotwoofthethreeD-shapeddevicesknownas AND gates,whichevaluatethe conjunctionsoftheirinputs.Theintermediateresults a ^ b etc. aretransmittedbythemtothe remainingdevice,an OR gate,whichcomputesthedisjunctionofitsthreeinputs,andtransmitsthe resulttotheoutput x .

Althoughthelogicmayseemunassailable,thecrucialtestofthisdesignhingesontheoperative word“whenever”inthespecification, i.e.,onrepeatablyyieldingcorrectresults.Toclaimsuccess wheninitialconcurrentinputsof a and b areacknowledgedbytheoutput x ,followedbyasubsequent inputof c alonethatisnot,presupposessomemutuallyagreedprotocolbetweenthecircuitandits usertodistinguishoneusagefromthenext.Ifanotherinputof b weretofollowimmediately,the requiredoutputbehaviorwoulddifferdependingonwhetherthelatter b werecountedinisolation orinconjunctionwiththepreceding c.Ataminimum,moreconsiderationisnecessarybefore declaringthisproblemsolved.

2.1.1Towardsareusableimplementation

Atraditionalapproachtoresolvingthecurrentissuewouldbetorevisethespecificationbyimposing timeconstraintsonboththeuserandthecircuit.Toberegardedasconcurrent,twoof a, b,or c mustbetransmittedbytheusereitheratexactlythesametime(arguablyazero-probabilityevent) orwithinsomelimitedintervalofeachother.Anacknowledgmenton x (orlackthereof)mustbe givenbythecircuitwithinyetanotherspecifiedinterval.Theimplementationcouldthenbedeemed correctifandonlyifitperformsaccordingtothisrevisedspecification.Howtheseconditionsmight beenforcedinpracticeisanothermatter,butifthissolutioncouldbemadetowork,itwould becalleda boundeddelay modeldesign.Failingthat,thenextstepinthisdirectionissimplya synchronousdesignwithallofitsattendantpitfalls.

Amorepromisingapproacheschewsfixedtimeconstraintsinfavorofdelimitingtheinteractions betweentheuserandthecircuitbyitsnaturalrhythm.Aftertransmittingapairofinputs,theuseris requiredtowaitfortheacknowledgmentfromthecircuitbeforeproceeding.However,thissolution raisesarelatedissuetotheonenotedabovewhenoneofthesameinputs(e.g., b)isusedineach oftwoconsecutiveinteractions.Withoutproperlyformulatedsignalcodingconventions,twoshort consecutivesignalsonthesameinputcouldbeindistinguishablefromonelongone.

2.1.2Aconceptofsignalingprotocols

Anexplicitstatementofsomethingusuallytakenforgrantedmayhelptoelucidatethisissue.With networksoflogicgatessuchasthoseusedinthiscircuit,standardpracticeassociatesoneoftwo states(e.g.,trueorfalse)witheachwireatanymoment. Eachgateismodeledbyafunctionthatmapseachpossiblesetofcurrentinputstatestoacorrespondingoutput, eithertrueorfalse,dependingontheparticularsemantics ofthegatebeingmodeled(e.g.,whetheritisan AND gate oran OR gate).

Intheintuitivejustificationgivenaboveforthecircuit in Figure2.1,asignalistacitlyidentifiedwithatruestate, andtheabsenceofasignalwithafalsestate.Twoconsecutiveoccurrencesofthesamesignalthereforewouldcorrespondtoawireholdingatruestateunchangedforthe duration.Whilethiscodingconventionmightbemade toworkinasynchronousdesign,itisinsufficientasan asynchronousprotocol,whichwoulddependonalways beingabletodetectthearrivalofafreshsignal.

4Φ signaling

Onewellknownwayofworkingaroundthisproblemhasbeentorequirethatallinputsandoutputs returntothefalsestateattheendofeachinteraction.Thispractice,sometimesknownaslevel signalingor4Φ (fourphase)signaling,becomessomethingofanorganizingprincipleinthetheory ofNullConventionLogic(NCL) [85, 86].However,thisremedyalonewouldnotsufficeinthe currentsettingwithoutfurtherrevisionstothecircuit,becauseasitstands,droppingeitheroftwo trueinputstofalsecouldcausetheoutputtodropprematurelybeforetheotherinputisdropped, therebymisleadingtheuserintothinkingthecircuitisreadyforanotherinteraction.

2Φ signaling

Anotherworkaroundwouldbetoencodeasignalasthechangefromtruetofalseorfromfalseto true,withoutregardforthewire’slogicalstateatanytimebetweenchangesandhencewithout distinguishingbetweenthetwopossibledirectionsofachange.Thissignalingconvention,sometimes calledNRZ(non-return-to-zero),transitionsignaling,or2Φ (twophase)signaling,wasadvocated influentiallyin [272].Anadvantageofthistechniqueisthatlesstimeandenergyarewastedon redundantactivity,butemployingitinthisexamplewouldrequireanevenmoreradicalredesignof thecircuit.

2.2HownottodoitwithDIprimitives

Thesedifficultiesmighthavebeenavoidedwithmoreforethought.Ifthemostnaturalstatementof thespecificationisintermsofthesignalsthecircuitsendsandreceives,itisappropriatetobuild itfromcomponentsthatcanbeunderstoodsimilarly.The AND gatesand OR gateusedinthefirst iterationofthisdesign,beingdefinedonlyasmapsfromsteadystateinputlogiclevelstooutput levels,appearinretrospecttobethewrongtoolsforthejob.

2.2.1Betterbuildingblocks

Whatwereallyneedinsteadofan AND gateisadevicethatdetectsaconfluenceof signals.Thatis, itshouldwaitforasignalfromeachofitsinputs,whichmayarriveatdifferenttimes,andthen sendasignalonitsoutput.Thisbehaviorrequiresittohavesomeformofinternalmemoryorstate, whichprecludesanimplementationbyanydevicewhoseoutputisfullydeterminedbyitscurrent inputalone.Inplaceofan OR gate,weneedadevicethatmergestwostreamsofsignals.Thatis,it mustwaitforasignaloneitherofitsinputsandthensendittotheoutput.

Assumingforthemomenttheavailabilityofdeviceshavingtheseimpreciselystatedproperties, wemightredesignthecircuitasshownin Figure2.2.Thecircularschematicsymbolstandinginfor the AND gatesintheoriginaldesignissometimescalledaCgate,aCelement,aMullerCelement, orevena rendez-vous elsewhere,butisdesignatedmorebrieflyanddescriptivelyasa JOIN inthis book(following [42, 78, 136] amongothers).Thetriangularcomponentreplacingthe OR gatefrom thepreviousdesignisknownasa MERGE

Withthisstep,italsobecomespossibletodiscussDIcircuitsinatechnology-independentway. Whetherasignalisconveyedbyaninversioninlogiclevel,achangeintheconcentrationofchemical solution,oraprojectileblownthroughatubeisimmaterialprovidedthecomponentsrelaythe signalthesameway.1 However,theirimplementationsinconventionaltechnologywith2Φ signaling maymeritamomentarydigression.

Implementationofa MERGE

Thefamiliartwo-inputlogicelementknownasan XOR gate(asin“exclusiveor”)outputsatrue valuewhenevereitherbutnotbothofitsinputsistrue.However,adevicewiththislogicfunction

1Inthecaseofasignalmediatedbyaphysicalparticle,anactiveparticle-duplicating FORK deviceisalsoneeded.

Figure2.2:improvedmajoritygateusingDIprimitives
Figure2.3:implementationofa MERGE by XOR gates

Figure2.4:approximateimplementationofa JOIN by AND gatesandan OR gate

canalsoserveadifferentpurposeinthecontextof2Φ signaling.Anordinarytwo-input XOR gate performsa2-waymergebecauseachangetoeitherofitsinputsineitherdirectionresultsina changetoitsoutput(notnecessarilyinthesamedirection).Themergingofthreeormorechannels canbeachievedbyformingatreeof XOR gates(i.e.,byconnectingtheoutputsofsomegatestothe inputsofothersasin Figure2.3).

AlthoughitcanbeshownbyBooleanalgebraortruthtablesthatatreeof XOR gatesdoesnot generallyoutputtheappropriatetruthvalueforamulti-way XOR logic function,itreadilysuitsour presentpurposeofmergingstreamsoflevel transitions (barringcontention).As2Φ DIdesigners,we careonlyaboutthelogiclevelchangesthemselves,notthevaluestheyattain.Arigorousjustification ofthelatterclaimusingonlyBooleanalgebrawouldbeachore,buta gestalt shiftto2Φ thinking makesthispropositioneasilyintuitive.

Implementationofa JOIN

Asnotedabove,nologicgatecanimplementa JOIN byitself.However,aserviceableimplementation subjecttocertaincaveatscanbeattemptedusingthecircuitshownin Figure2.4.Theintuitionis thataninitiallylow(i.e.,false)outputremainssountilbothinputsforcethecentral AND gatehigh (i.e.,true),andthentheoutputfeedsbackthrougheitheroftheother AND gatestoholditselfhigh untilbothinputsdrop.

Therearetwopossibleproblemswithagatelevelimplementationofa JOIN primitive.Oneisa racecondition.Thecircuitcouldmalfunctionifthepropagationdelayalongtheinternalfeedback pathssignificantlyexceedsthetimetakenfortheoutputsignaltobereceivedexternally.Inthis case,the JOIN performsnodifferentlythanan AND gateforthedurationofsomeunspecifiedtime intervalfollowingthefirstrisingoutput(withmorecomplicatedknockoneffectspossiblethereafter), contrarytotheintendedsignalingprotocol.Correctingthisproblemmightrequiretiminganalysis basedonphysicalparametersbeyondthescopeoflogicdesign.Theotherproblemisinefficiency.A customdesignedimplementationislikelybothtooutperformandtorequirelesshardwarethanan equivalentnetworkoflogicgates,atleastinCMOStechnology [250].

2.2.2Implicationsofthecurrentsolution

Leavingasidepotentialimplementationissueswiththesedevices,wereturntothequestionof whetherthesolutionin Figure2.2 successfullyimplementsa2-of-3majoritygate.Thereisgood newsandbadnews.

Another random document with no related content on Scribd:

The Project Gutenberg eBook of Esztike

kisasszony professzora: Regény

This ebook is for the use of anyone anywhere in the United States and most other parts of the world at no cost and with almost no restrictions whatsoever. You may copy it, give it away or re-use it under the terms of the Project Gutenberg License included with this ebook or online at www.gutenberg.org. If you are not located in the United States, you will have to check the laws of the country where you are located before using this eBook.

Title: Esztike kisasszony professzora: Regény

Author: Albert Pálffy

Contributor: Kálmán Mikszáth

Illustrator: Louis Mark

Release date: July 8, 2022 [eBook #68475]

Language: Hungarian

Original publication: Hungary: Franklin, 1904

Credits: Albert László from page images generously made available by the Internet Archive *** START OF THE PROJECT GUTENBERG EBOOK ESZTIKE KISASSZONY PROFESSZORA: REGÉNY ***

Megjegyzés:

A tartalomjegyzék a 329. oldalon található.

MAGYAR REGÉNYIRÓK

KÉPES KIADÁSA

Szerkeszti és bevezetésekkel ellátja

MIKSZÁTH KÁLMÁN

35. KÖTET

ESZTIKE KISASSZONY PROFESSZORA

Irta PÁLFFY

ALBERT

BUDAPEST

FRANKLIN-TÁRSULAT

magyar irod. intézet és könyvnyomda

1904

ESZTIKE KISASSZONY PROFESSZORA

REGÉNY

IRTA

PÁLFFY ALBERT

MÁRK LAJOS RAJZAIVAL

BUDAPEST

FRANKLIN-TÁRSULAT

magyar irod. intézet és könyvnyomda

1904

Minden jog fentartva.

Franklin-Társulat nyomdája.

PÁLFFY ALBERT.

1820–1897.

A ki a kilenczvenes évek elején pénzt ment betenni vagy kivenni az «Első hazai takarékpénztár»-ba, a könyvecske aláírásakor láthatott egy hosszú csontos kezet kinyúlni érte. Ez volt a Pálffy Albert keze. Magas, hórihorgas, sovány ember ült a rács mögött, hosszúszárú pipából eregetve a füstöt, mintha az eresz alatt ülne valahol falun. Hosszúkás arczán szelidség honolt és üde pirosság, a ránczok közt meg állán csak egy pár gyér szőrszál jelezte a szakállt. Pálffy Albert volt az egyetlen a magyar írók közt, a ki élete alkonyán egy nagy rakás pénz közt élt – mint napibiztos.

A negyvenes évek közepén egy fiatal ember ült fel a Pest felé induló postakocsira Nagyváradon, a mely városban már akkor ott lapdázik Tisza Kálmán a Dőry fiúkkal, be nem véve még fiúsorba a kicsike Szilágyi Dezsőt.

Egy napon ezek is meg fognak érkezni, de még előbb sok mindennek kell ott történnie, a mihez a postakocsin induló ifjúnak némi köze lesz, a ki pályát törni megy Pestre, ládájában egy csomag

kéziratot tartogatva, melynek czímlapjára fel van írva a «Magyar millionér». Regény. Írta Pálffy Albert.

Ő maga ugyan nem millionér, bár meglehetős szellemi tőkével indul. A millionér Jókai Mór, a kivel versenyre kell majd szállnia, már ott van a maga helyén és növekszik. A «Magyar millionér», utána csakhamar a «Fekete könyv» megjelenik, érdekeltséget kelt az írói körökben és a közönségben.

– Új talentum jött – szállong az örömhír a Csigánál, a Fillingerben, a Komlóban és a Pilvax kávéházban. Az írók sietnek őt maguk közé venni. Még nem oly hidegek, minők egy félszázad mulva lesznek. Petőfi barátságot köt vele, Vörösmarty biztatja. Pedig épenséggel nem a szükség embere. Egész sor kiváló regényíró dolgozik. Jósika Abaffyja már megjelent, Eötvös «Falu jegyző»-jét pietással forgatják, mint a Bibliát. Jókai viruló talentuma egyre jobban kibontakozik, Kemény Zsigmondnak regényei valóságos vérévé válnak a közönségnek, kiirogatják a Stammbuch-okba.

Ily környezetben nem érhette el Pálffy azt a sikert, a melyet óhajtott, abba is hagyta a regényirást s a szabadságharcz alatt mint a «Martius tizenötödiké»-nek szerkesztője gyorsan elérte a nagy népszerűséget. Eleven, szines, sőt néhol a humor aranyával behullatott politikai czikkei behatnak a legszélesebb rétegekbe, nevének szárnya támad.

Az önkényuralom alatt ő is ki volt csukva az országból, Budweisba internálva. Ez volt akkor a jelesek kitüntetése. Budweis pro literis artibus. Midőn visszabocsájtották, a kiegyezés egyik legerősebb védelmezője lett megizmosodott tollával az «Esti Lapokban». Bár a lapirás már ekkor nagy lendületet vett, mégis ő volt a legügyesebb hirlapiró, persze nem a mai értelemben. Hiszen kora tavaszkor a barka is virágszámba megy.

Az eszme azonban, melyet szolgált, népszerűtlen volt, nagy népszerűségét tehát lassanként elköltötte a jó ügy védelmében, de a mennyire elhidegedett tőle a közönség, ép annyira elhidegedett ő is a politikától s élete utolsó szakában hetvenedik éve felé visszatér régi szerelméhez, a regényiráshoz, mint mikor a fa tél elején virágzik

ki másodszor Vélned, hogy ebből nem lesz már izes gyümölcs.

Pálffy csodálatos módon ráczáfolt erre a tapasztalatra és szinte hihetetlen termékenységgel irta meg regényeinek egy egész sorozatát, részint a történelemből, részint a forradalom előtti társadalomból, nyujtva csupa kedves, vonzó olvasmányokat, melyeket az anyák bátran adhattak serdülő leányaik kezébe. Ezek közül választottuk ki «Esztike kisasszony professzorá»-t, mely a jelenkorból vett meséjével az iró összes kellemes tulajdonságait feltünteti.

Gyulai Pálnak kedvencz irója volt, Beöthy Zsolt pedig következőképen jellemzi: «leleményes, de nem képzelgő meséit jó helyzetekkel s érdekesen szövi; az élet apró jelenségeinek megfigyelésére kitünő szeme van, mely azonban már a lélek mélyébe nem igen hat, olykor igen tartózkodó módon a humora is felcsillámlik. Némi távolságból beszél közönségével a világ egy okos, nyugodt szemlélőjének fensőségével.»

Csöndes igénytelen öreg úr volt, ki alig mutatkozott másutt, mint az irodalmi társaságok ülésein és lakomáin. De ott is alig lehetett szavát venni, ritkán melegedett meg, hallgatagságát csak az ajkai körül elömlő kissé gunyoros mosoly enyhítette.

Egyszerü typusa volt a magyar régi nemes embernek, a ki nem tudott se bohéme lenni, se stréber Minden hühó és hivalkodás nélkül futotta meg hasznos pályáját. A milyen zaj nélkül hozta be pályája szinhelyére Nagyváradról 1844-ben egy postakocsi épen olyan csendesen, minden nagyobb feltünés nélkül vitte ki a szinhelyről 1897-ben egy halottas kocsi.

Mikszáth Kálmán.

Első kiadása megjelent 1884-ben.

ELSŐ RÉSZ.

I.

(A család eredete, viszontagsága és felvirágzása )

Pestmegyében sok nagy község van. Nem mondom melyik?

mert a mai kutató és történetbuvár világban még felforgathatná valaki a helybeli levéltárt s ki tudja, minő bonyodalmas pört indíthatna azok ellen, kik jelenben rég feledve a multakat, dúsgazdagon aratják gyümölcsét annak, a mit az elődök nagy fáradsággal s tán nem mindig tiszta maggal vetettek.

A török világ végén Dorozsmay Tóbiás uram, mint biró, kormányozta a várost, míg egyszer elkésvén az adófizetéssel, a temesvári basa karóba huzatta s kínos halállal múlt ki a világból a hazáért.

A Rákóczi mozgalmak alatt Dorozsmay Bálint a fölkelt ráczok ellen vezeté a község fegyvereseit, küzdött vitézül s ott hagyta fehérlő csontjait a mezőn, hol ma Szabadka külső tanyái virágoznak.

1760-ban Dorozsmay Lukács urat a község szenátorrá választotta. Ezen díszes hivatalában mindjárt az első évben haszonbérbe vett a várostól egy 3600 holdas pusztát s miután a haszonbért a hivatallal járó kiváltság folytán soha sem fizette, 40 év multán történt halálával soha senki sem kételkedett, hogy ama birtok a Dorozsmay-család ősi tulajdona s abban az utódokat háborgatni nem szabad.

Következett Dorozsmay László. Ez mindig künn lakott a tanyán és soha senki hírét sem hallotta, míg 1809-ben történt halálakor tiszteletes uram két teljes óráig tartó bucsuztatóban annyi épületes dolgot beszélt a megholtnak jámbor, istenfélő és vallásos életéről, bő tudományáról, pazar adakozásairól s a város és a haza iránt tanusított hűségéről, hogy a hallgatók csak ekkor, igen későn, tudták meg, mily jeles és nevezetes férfiut temettek el benne!

Dorozsmay Tóbiás kínos halállal mult ki.

Annál többet beszéltek örököséről, Dorozsmay Sándorról, a ki Pestre tette át lakását s úgy költött, mintha annyi jövedelme volna, mennyit birtoka megért. Nem tarthatott sokáig e víg élet s ő volt egyike a legelsőknek, kik az ujonnan behozott csődtörvény kérlelhetlen kelepczéjébe estek s mindenét elvesztvén, épen a legalkalmasabb időben meghalt.

Azonban volt fia, Kálmán (mert mindinkább divatosabb keresztnevek jöttek a családba). De már ezen Dorozsmay-ivadék csak 300 hold földet s derék földszinti házat menthetett meg az özönvízből s csakis anyai jus czímén.

Ez épen elég volt arra, hogy Kálmán úr valamibe kezdhessen. Ő pedig a jó üzletek közül a legjövedelmezőbbet választotta. Elvett feleségül egy özvegy asszonyt, a kinek első férje remekül értette a házi takarékos életet s mellé még a pogány uzsorát, s halálakor mindenét hű nejére hagyta.

Kálmán úr, mondták, boldogul élt feleségével, a ki igazán hű és jó asszony volt, de miután az Úristen is főleg a jókat szereti, hát idő előtt magához szólította.

A bús özvegy 55 éves volt és sok hiábavaló erőködés után abban talált vigasztalást, hogy újra házasodott, megnyervén szívét egy hajadonnak, a ki nála épen 35 évvel fiatalabb volt.

Időközben behozták a mostani pogány adókat, Kálmán úr azon előlátással bírt, hogy vevőt keresett első nejétől öröklött birtokára, s találván, földjét eladta.

Épen Pesten volt, hogy a birtok árát fölvegye, a midőn levelet kap hazulról azon örvendetes hírrel, hogy neje egy kis gyönge lánykával ajándékozta meg.

Ő ugyan fiút várt, de hiszen az oly házaspár, a ki ily sikerrel kezdi pályáját, bizton számíthat, hogy folytatása következik.

Felsöpörte tehát az eladott jószág árát, mintegy 80,000 forintot és sietett haza megtartani a keresztelési lakomát.

Ámde kétségbeejtő szomorúságra érkezék. A fiatal anya a legaggasztóbb kórjelek mellett már eszméletét is elveszté. Többé meg sem ismeré hazaérkezett férjét s virradat előtt meghalt.

Tudjuk, hogy a szerencsétlenség soha sem jár egyedül. A temetést követő éjjel álarczos, vagy legalább feketére mázolt képű rablók törtek be a házba s miután a cselédeket megkötötték, megkínozták, az öreg urat agyonverték, mindent a mi a háznál pénz vagy pénzérték volt, elhordtak. A vármegye mai napig kurrentáltatja a gonosztevőket.

Tehát a Dorozsmay-család idősb ága egy kis lánykára olvadt le; ez pedig szegényecske volt, mert az eladott birtok árából zsiványok töltözgettek s nem maradt más, mint a ház és a 300 hold föld, melyről fönnebb beszéltünk.

Mondtuk, a család idősb ága, mert ismertek a városban egy

Dorozsmay Tihamér nevű diákocskát is, a ki vérszerinti rokonságot tartott a gazdag családdal s ezen jogon eljárt a házhoz és sokat játszott a kis árva lánynyal, Verona hugával.

Ez pedig szépen nevekedett. A városi tanács szerzett mellé egy jó erkölcsű komámasszonyt; a háznak szebb részét bérbe adták, a 300 hold szántóföld megtermé a kenyeret, a tehenecske adott tejet, vajat s még téli vagy nyári ruhára, sőt iskolapénzre is maradt valami.

Mikor aztán Verona kisasszony huszadik évét elérte, a diákocskából pedig szemes és agyafurt ügyvéd lett, kettecskén azon eredeti gondolatra jöttek, hogy ők bizony összeházasodnak.

1861-et írtak azon esztendőben. Akadály nem levén, illő szertartással ment végbe az esküvő, s arra tisztességes időben a keresztelő is bekövetkezett.

Ekkor azonban rendkívüli eset, csodálatos véletlen adta elé magát, mely a különben is boldog házaspár számára új és dicsőséges láthatárt nyitott fel.

Ápril havának közepe volt; épen vége szakadt a húsvéti ünnepeknek, a midőn egy délután Tihamér ügyvéd olvasni valót keresgélt a megholt öreg úrnak porlepte könyvszekrényében; a már fellábadozott menyecske pedig édes anyai örömök közt fürösztgeté a kis Esztikét.

Az öreg úrnak (a kit a rablók vertek agyon) szokása volt minden régi könyvet, elhasznált kalendáriumot, a házalóktól árult röpiratokat rakásra gyűjteni. Az ügyvéd is gyarapította az irodalom eféle kincseit és csomagostól őrizte az 1848 és 1849.-iki politikai elmefuttatásokat. Ezekhez járultak az 1861.-iki kis revoluczió sajtóterményei, mint halvány folytatása a régi nagy időknek.

Ezen régibb nyomtatvány-csomók között keresgélt olvasni valót (miután replikáit bevégezte), s egyiket a másik után félre vetve, egyszerre egy – alig nehány lapból álló nyomtatvány kerül kezébe. A könyvecske mai napon már alig ismert goromba, félig itatós papirra volt nyomtatva. Még borítékba sem volt fűzve, csak a sarkán megerősítve vörös papir-szalaggal.

Oda veté szemét igen közönyösen, de a mint a czímlapot megpillantá, majd jéggé vált szíve a szörnyű meglepetés miatt.

A czím magyarul s utána mindjárt németül így hangzott:

«Betéti könyvecske a Pestmegye pártfogása alatt alakult első hazai takarékpénztártól.»

Fordít és mit lát?

Legelőször nyomtatva «a betevő neve», azonban semmi név sem következett, hanem mint gyakran előfordul, név helyett valamely betű vagy általános kifejezés. Ezen könyvön ez állott:

«Leányom hozománya.»

Következett a kelet napja: 1841 február 13.-ika.

Végre az összeg:

«Betett: betűkkel kiírva: Nyolczvan ezer forint; számokkal: 80,000 frt.»

Mintha lőporral vetették volna fel, úgy ugrott elé székéről s oda tartá felesége szeme elé a csodálatos módon feltalált kincset. Verona asszony egy darabig bámulva néz, nem érti, mit kell látnia? míg végre megszúrja szemét az óriási összegnek rőfhosszú alakja s arra félájultan rogyik férjének kitárt karjaiba.

Szerencsére csak perczekig tartott e lázas állapot, különben a kis Esztike, kiről a meglepetés első perczében megfeledkeztek, aligha be nem ful a fürdővízbe, s vele együtt ezen történetnek egész hosszasága.

– Igazságos egek! – kiálta a nő, – ez azon pénz, melyet édes atyám az eladott birtokért kapott: betette a takarékpénztárba, s mi mindnyájan azt hittük, hogy a tolvajok elrabolták!

– Úgy kell lenni, – felelé a férj. – Első örömében, hogy leánya született, «leányom hozománya» czímen iratta be. Szerencsésen haza is hozta a könyvecskét, de a zsiványok, kik pénzt kutattak, félrevetették az értéktelennek látszó nyomtatványt, vagy nagyon jól tudták, hogy azt pénzzé tenni annyi, mint magukat gyanúba keverni, s nyakukat a hóhér bárdja alá nyujtani. Később kipusztulván az egész család, a cselédek oda dobták a könyvek közé s húsz esztendeje mult, hogy senki észre nem vette!

– És most mi kivehetjük az egész 80,000 forintot!

– Micsoda? 80,000 forintot! Hát a husz évi kamat?

– Igazad van; az is tehet nehány ezer forintot.

– Nehány ezer forintot? Jer csak ide, mindjárt kiszámítom neked s bámulni fogsz, mily roppant tőkét tartok kezemben. Ennél könnyebb, egyszerűbb s mégis biztosabb számvetés nincs a világon. Lásd a könyv tábláján a kamatszámítást, évről-évre. Most pedig figyelj: 100 forint húsz év mulva kamattal és kamatkamatjával felszaporodik 265 forint 71 krajczárra. De beszéljünk csak forintokról. Tehát ezen arányban 1000 forint értéke húsz esztendő mulva 2650 forintra rúg. Minthogy pedig itt 80,000 forintról van szó, sokszorozzuk, vagy mint most tanítják az iskolában, szorozzuk a 2650 forintot 80-nal s kijő belőle nem több, nem kevesebb, mint 215,000 forint!

– Ez lehetlen.

– Kedvesem ez oly bizonyos, mint kétszer kettő négy. Nem én, hanem maga a nekünk adós intézet mondja, hirdeti és előre kiszámítja.

– És ezen irtóztató összeget egyszerre kiadják?

– Boldognak, boldogtalannak, a ki e könyvet elémutatja.

– Ki fogjuk venni?

– Holnap hajnalban vasutra ülünk, nyolcz óra előtt Pestre érkezünk. Kilenczkor belépünk az intézetnek kivételi pénztárába s ott, ha sokan is lesznek, egy óra alatt ránk kerül a sor, kifizetik szó nélkül az egész összeget s még azt sem várják, hogy a húsz évi pontos és lelkiismeretes kezelésért köszönetet mondjunk.

– És mit csinálunk annyi pénzzel?

– Jaj, kedvesem, ez már más, nehezebb kérdés. Egyelőre azt mondom; tulajdonkép csak tanácslom: vegyük fel a 215,000 forintot; tartsunk meg belőle 15,000 forintot, a 200,000 forintot pedig tegyük vissza a te nevedre, mert e vagyon a tied.

– A mienk, édes barátom.

– Mondtam: a tied. Majd kezdünk valamit, és én igérem neked, hogy oly vállalatok után nézek, mikben veszteség nem érhet, nyereségre pedig biztos kilátásunk lehet.

– Ezt egészen rád bizom. Pénz dolgában eddig is te határoztál; úgy lesz ezután is, mert föltétlenül bizom eszedben és ügyességedben. Holnap utazunk?

– Holnap és többé e sárfészekbe vissza sem jövünk.

– A fővárosban fogunk lakni?

– Hol másutt lehetne ily pompás tőkét kezelni és gyarapítani? Készülj még ma útra. Esztikét jól ellásd mindennel, mert az idő változó ápril havában. Ha pedig megtelepedtünk, akkor látod meg, mi lakik a te falusi prókátorodnak agyvelejében!

– Oh Tihamér, én egészen rád bizom életemet és vagyonomat. De fogsz-e engem ezután is szeretni, ha egyszerre ily gazdagok lettünk?

– Asszonyi dőre beszéd, Veronám. Meglátod, hogy vén korunkban, a midőn gyermekeink is felnőttek és szárnyra bocsátjuk

Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.