مقاله کمپرسور ٢‐٤ سریع مدمشترک

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

کمپرسور ٢‐٤ سریع مدمشترک

در این مقاله کمپرسور ٢‐٤ بسیار سریعی را معرفی نموده ایم.

با توجه به این موضوع که کوچکسازی به حد تکنولوﮊی خود نزدیک شده است ارائه راهکارها و استفاده از معماری های جدید بسیار مهم میباشد. در طراحی این کمپرسور با ترکیب کردن مدارات مدولتاﮊ و جریان و استفاده بهینه از مزایای هر کدام، توانستهایم سرعت را نسبت به طراحیهای گذشته افزایش دهیم. تمامی شبیهسازیهای با مدل BSIMv3 و تکنولوﮊی ٢٥,٠میکرومتر با نرمافزارهای HSpice و CosMos-Scope (تحلیل داده ها) صورت گرفته است. الگویهای ورودی به مدل شبیه سازی نیز توسط Matlab تولید و اعمال شده اند.

طبق شبیه سازیها، مدار ارائه شده حداقل (در ولتاﮊ ٢,١ولت) (بیش از)١٠% و حداکثر (در ولتاﮊ ٥,٣ولت) (بیش از) ٢١% بهبود در سرعت ایجاد نموده است. از نظر تعداد ترانزیستور مصرفی نیز، طرح پیشنهادی بهبودی معادل ٢٠% را بوجود آورده است. مدارهای

کلمات کلیدی: مدولتاﮊ، مدجریان، مدمشترک، کمپرسور، VLSI،کمپرسور ٢‐٤.

١‐ مقدمه

کمپرسور ٢‐٤ از مهمترین عناصر پایه حساب می باشد. با طراحی کمپرسورهای ٢‐٤ سریع و کارآ میتوان بازدهی کل سیستم کامپیوتری را ارتقا داد ]١.[ از آنجایی که کمپرسور ٢‐٤ بعنوان یک واحد پایه، در طراحی پردازشگر محسوب میشود، طراحی مناسب آن بسیار مورد توجه میباشد. بسیاری از مدارهایی که اخیرا ارائه شدهاند، در طراحیهای خود از ترانزیستورهای عبور و گیتهای انتقال استفاده مینمایند ]٧‐٤.[ حال میتوان با شناسایی دقیق نقاط ضعف و قوت در اینگونه طراحیها (منطق طراحی)، و یافتن راهکارهایی به منظور پوشش نقاط ضعف طراحیهای پیشین با استفاده از مزایای سایر منطقها، به مدارات بسیار بهتر و سریع تری دست پیدا کرد. مد جریان بعنوان یکی از منطقهای طراحی مدارات، دارای مزایای بسیاری از جمله امکان پیادهسازی جمع رایگان و مدارات تابع اکثریت و ORبسیار سریع میباشد. اگر بتوان با استفاده از این مزایا، نقاط ضعف طراحیهای مدولتاﮊ را پوشش داد، براحتی میتوان مشاهده نمود که، تغییرات اعمال شده، بشدت در میزان کارآیی و سرعت طراحی های حاصله تفاوت ایجاد میکنند. کمپرسور ٢‐٤ ارائه شده، با استفاده از درخت XOR مدولتاﮊ، که در آن، یکی از بهترین طراحی های XOR-XNOR بکار رفته است، در کنار پیادهسازی مدجریانی توابع مولد رقمنقلی، طراحی شده است.

در بخش دوم، معرفی کوتاهی از مدارهای مدجریان را آوردهایم، در بخش سوم نحوه عملکرد آشکارسازهای آستانه را مورد بررسی قرار دادهایم، سپس، به معرفی سلول XOR-XNOR مورد استفاده پرداخته و در ادامه نیز، با معرفی اجمالی معماری کمپرسور ٢‐٤، ایده پیادهسازی این کمپرسور، با استفاده از درخت XOR و آشکارسازهای آستانه را بیان میکنیم. سپس به بیان شرایط شبیه سازی و نتایج حاصله میپردازیم. در نهایت نیز، نتیجهگیری ذکر شده است.

٢‐ مدجریان

درمدارهای منطقی که با ولتاﮊ کار میکنند دو ولتاﮊ مختلف مانند V1 و V2 را برابر سطح منطقی در نظر میگیرند. به عنوان مثال V1=0v و V2=1v در نظر گرفته شده و بر اساس آن دروازههای منطقی و مدارهای رقمی طراحی و ساخته میشوند. حال اگر به جای ولتاﮊ، از جریان به عنوان واسطی برای پیادهسازی مدارهای منطقی استفاده نمود، گوییم مدارات در منطق مدجریان طراحی و پیاده سازی شده اند.

برای این کار میتوان جریانی خاص مانند i را به سطح منطقی یک، و عدم وجود آن را به سطح منطقی صفر تعبیر نمود. برخی از خواص جریان مزایای جالبی دارند ازجمله قانون جمع جریانها که میتوان ازآن درساخت یک جمعکننده بسیار سریع استفاده نمود ]٢، ٣، ٨.[

طبق قانون جمع جریانها اگر دوسیم حامل جریان مانند جریانهای ١ و ٢ در شکل رابه یکدیگر متصل نماییم، در سیم خروجی جمع دوجریان اولیه را خواهیم داشت. یکی از مزیتهای مدجریان مصرف تعداد ترانزیستور کمتر نسبت به مدارات مشابه در مدولتاﮊ میباشد.
این مزیت همان طور که واضح است، تاثیر بسزایی را در کاهش فضای مصرفی پیادهسازی دارد. مزیت مدارهای مد ولتاﮊ، ساده بودن طراحی و عدم حساسیت به نویز است. نحوه پیادهسازی مدار یکی از عاملهای بسیار موثر در کاهش و یا افزایش تاخیر آن مدار می باشد. برای مثال، در رابطه با دروازههای XOR مدارات مدولتاﮊ سریعتر عمل مینمایند و در رابطه با دروازه های OR و NOR و توابع مولد رقم نقلی (اکثریت) مدارات مدجریان سریعتر میباشند. هدف اصلی این مقاله استفاده، ترکیب این مزایا میباشد ]١٢، ١٣.[

٣‐ آشکارسازهای آستانه

اگر جریان ورودی به آشکارساز آستانه از مقدار مشخصی بیشتر باشد مقدار خروجی آن تغییر مینماید. برای مثال آشکار ساز آستانه TD>1.5، به این معنی است که اگر مقدار ولتاﮊ از ٥,١ (منطقی) بیشتر شد، خروجی یک شود در غیر این صورت مقدار خروجی صفر گردد.

استفاده از گیت معکوسکننده بعنوان آشکارساز سطح آستانه برای اولین بار در ]٢[ ذکر شده است. در شکل ٢ مدل کلی مدار آشکارساز آستانه، با استفاده از یک معکوسکننده CMOS، نشان داده شده است.

محاسبه است که آستانه سوئیچ این معکوسکننده، و بعبارت بهتر آستانه آشکارسازی آن را، تعیین مینماید ]٢، ٧، ٨. [

٤‐ مدار XOR-XNOR

همانطور که میدانیم، ترانزیستور عبور، یک ترانزیستور nMOS یا pMOS است که سیگنال ورودی آن، از سورس و سیگنال خروجی آن از درین است. "شبکه عبور" نیز مجموعهای از ترانزیستورهای عبور است، که برای پیادهسازی تابعی خاص، در کنار هم قرار گرفتهاند. اگر سیگنال های X و Y به گیت و سورس یک ترانزیستور nMOS متصل شده باشند، آن را بصورت X.Y نشان میدهیم و میگوییم: X" از Yعبور می کند". ترانزیستور nMOS (منطق) "٠" را خوب عبور میدهد ولی در عبور دادن (منطق) "١" ضعیف عمل مینماید؛ برعکس ترانزیستور pMOS "١" را مناسب، ولی "٠" را نامناسب عبور میدهد.

ظاهر شدن و یا نشدن تابع مورد نظر در خروجی یک ترانزیستور عبور کاملا به وضعیت سیگنال کنترلی آن ترانزیستور بستگی دارد. بر پایه همین بنیان ساده، در سال ١٩٩٩ یک طراحی بسیار مناسب، با تعداد ترانزیستور کم، ارائه گردید ]٤.[ در این طراحی با استفاده از چهار ترانزیستور عبور، ٢ nMOS و ۲ pMOS ، و دو ترانزیستور پسخورد، یک nMOS و یک pMOS، یک پیادهسازی جالب برای توابع منطقی XOR و XNOR بصورت همزمان ارائه گردیده است. تحلیل عملکرد این مدار بسیار ساده و آسان صورت می پذیرد، بطوری بعنوان مثال، هرگاه در ورودی زوج "۱۱" مشاهده شود، دو ترانزیستور عبور pMOS ، بصورت خودکار از چرخه تحلیل خارج شده و تنها ترانزیستورهای عبور nMOS و پسخورد هستند که باید مورد بررسی قرار گیرند؛ در این شرایط هردو ترانزیستور عبور nMOS بدلیل مدل ضربدری قرارگیری سیگنال های ورودی را ("۱۱") را به خروجی هدایت می نمایند، در این شرایط همانطور که قبلا نیز ذکر شد، بعلت عبور منطق "۱" از ترانزیستور nMOS در خروجی آن، سیگنالی را با سوئینگ ریل به ریل ولتاﮊ، نخواهیم داشت؛ نکته بکارگیری ترانزیستورهای پسخورد نیز در اینجا نهفته است؛ پس از عبور یک سیگنال ضعیف منطق "۱"، این سیگنال به گیت، پسخور نوع n اعمال شده، در نتیجه آن را روشن نموده و به همین سبب خروجی XOR و بدنبال آن، گیت، پسخور نوع p را به زمین متصل مینماید؛ این اتصال به زمین، اولا باعث میشود که خروجی XOR کاملا صفر گردد (عبور منطق "۰" از ترانزیستور نوع (n، دوما، پسخورد نوع p روشن شده و خروجی XNOR را به Vdd متصل سازد، که با توجه به خصوصیت ترانزیستور نوع p ، در عبور کامل سیگنال منطق "۱"، خروجی XNOR دارای ولتاﮊی کاملا برابر با Vdd، خواهد بود. شکل ۳، این مدار XOR-XNOR ، ۶ ترانزیستوری را نمایش میدهد ]٤، ٥، ٦.[

شکل ۳. نمایش مدار XOR-XNOR

بنابراین، دومدار بهوسیله پسخورد برای تولید توابع XOR وXNOR

جفت میشوند. با استفاده از ترانزیستور پایینبر (nMOS) وترانزیستور بالابر (pMOS)، در این مدار افت ولتاﮊ آستانه از هر دوخروجی حذف شده است که این امر امکان سوئینگ کامل ولتاﮊ، برای خروجیها در همه حالات را فراهم می آورد. تنها نکته منفی این طراحی در این است که بکارگیری این ترانزیستورهای پسخور، اثر منفی روی فرکانس کاری مدار میگذارد. این اثر هم ناشی از اعمال سیگنال های ضعیف ٠ یا ١ به گیت ترانزیستورهای پسخورد نوع p یا n بههنگام اعمال زوج ورودی

"۰۰" یا "۱۱"، می باشد. برای تضمین صحت عملکرد مدار در شرایط مختلف، W/L ترانزیستورها بایستی به دقت انتخاب گردد ]٤، ٥، ٦، ١٠.[

٥‐مدارطراحی کمپرسور ٢‐٤ مدمشترک

ساختارهای گوناگونی برای کمپرسور ٢:٤ ارائه شده است، که همگی سعی در پیادهسازی رابطه

x1  x2  x3  x4  cin  sum  2 ⋅ carry  cout 

دارند. معماری کلی کمپرسور ٢‐٤ نیز در شکل ٤ نشان داده شده است.

در این معماری از عناصر پایهایتری بنام تمامجمعگر یا شمارندههای ٢‐٣، استفاده شده است. همانطور که مشخص است یک کمپرسور ٢‐ ٤ دارای ٥ ورودی و ٣ خروجی است، در بین ٥ ورودی، ٤ ورودی، اصلی و ١ ورودی، رقمنقلی ورودی از مرحله قبلی می باشد؛ در بین ٣ خروجی نیز، دو خروجی، اصلی، و یک خروجی، رقمنقلی ارسالی به ماﮊول (مرحله) بعدی محسوب میشود ]١.[

اگر بخواهیم به داخل این معماری نگاهی بیندازیم، به شکل ٥ خواهیم رسید.
در پیادهسازی مدولتاﮊ، مدار نشان داده شده در قسمت قبلی (شکل ۳) بعنوان مولد تابع XOR-XNOR ، و از مدار نشان داده شده در شکل ۶، بعنوان مالتیپلکسر، استفاده مینماییم. اگر درخت تولید جمع
(درخت (XOR را کاملا از درخت تولید ارقام نقلی جدا نماییم، دید بهتری نسبت به مدار خواهیم داشت. همانطور که مشخص است،