TEMA 4.2_10_11_resumen

Ingeniería Técnica de Telecomunicación SS. EE.
Curso 3º
Microelectrónica I
2010/11
Resumen
TEMA 4.
Principales subsistemas digitales en CMOS-
VLSI
Lógica dinámica.
Estructuras lógicas síncronas con señales de reloj.
Circuitos con estructura regular: PLAs, ROMs, RAMs, Registros.
Circuitos aritméticos. Contadores.
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4.2 Subsistemas digitales en CMOS
Sumadores CMOS
Semi-sumador (Half-Adder)
Sumador completo (Full-Adder)
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AOI full-adder logic
Mirror AOI CMOS full-adder
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Transmision-gate full-adder circuit.
Este circuito tiene como característica que los retrasos para si y ci son
prácticamente iguales. Cuando las entradas se activan a la vez los datos
validos de suma y carry se obtienen al mismo tiempo. Sin embargo el
circuito AOI el carry es producido primero y usado entonces para calcular
la suma.
Estructura de un sumador Ripple Carry
Sumador de n bits construido mediante sumadores completos.
El retraso de un sumador ripple se debe a la propagación del carry por
todas las etapas.
Cada etapa realiza las siguientes operaciones:
si = ai XOR bi XOR ci
ci+1 = aibi + aici + bici
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Planificación del layout de un sumador Ripple Carry
Ejercicio
Identificar los terminales de la celda full adder utilizada en el sumador
anterior.
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Circuito de generación del Carry, considerando funciones complejas.
Organización en espejo del circuito anterior
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Sumador sustractor en estructura ripple
La señal add_sub controla el tipo de operación que se realiza. Con add_sub
a cero realiza la suma y con add_sub a 1 realiza una operación de resta.
Sumadores rápidos
Carry Look Ahead
Diseñados para mejorar la latencia de los sumadores ripple.
Considera una señal de generación de carry, Gi, y una señal de
propagación del posible carry existente. Pi.
Estas señales se denominan carry propagate y carry generate:
– Pi = ai exor bi
– Gi = ai bi
Luego calcula sum and carry con P y G:
– si = ci XOR Pi XOR Gi
– ci+1 = Gi + Pici
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Bases del algoritmo carry look-ahead
C1=g0+p0c0
C2=g1+p1c1
C3=g2+p2c2
C4=g3+p3c3
Además substituyendo c1 en c2 se obtiene:
C2=g1+p1(g0+p0c0) = g1+ p1g0 + p1p0c0
Estas fórmulas se repiten recursivamente
– ci+1 = Gi + Pi(Gi-1 + Pi-1ci-1)
– ci+1 = Gi + PiGi-1 + PiPi-1 (Gi-2 + Pi-1ci-2)
Evitan la necesidad propagar serialmente los bits de carry por todad la
cadena.
En forma SOP el esquema del algoritmo es el siguiente:
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Logic network for 4-bit CLA carry bits
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Diseño Full CMOS del bloque Carry look ahead
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Sumador Manchester
Es una variación del sumador carry lookahead. Explota las propiedades de
los circuitos dinámicos. El nudo intermedio almacena el carry
complementado.
Se fundamenta en construir un circuito que realiza la siguiente operación
básica que puede alimentarse en cascada en sucesivas etapas.
ci+1 = gi + pi * ci
Se define además un bit, ki, que se denomina carry-kill.
Para cualquiera de las combinaciones de entrada sólo una de las salidas
toma el valor lógico 1. (Esquema conceptual)
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Implementación CMOS estática. (No depende de ki)
Si pi=0 M1 OFF y no se propaga c´i . Pero M3 está ON. Si gi=0 M4 ON y
c´i+1=1
Si gi=1 M4 Off y M2 ON c´i+1=0
Si pi=1 entonces gi=0 M4 está ON y M3 OFF la salida está controlada por
c’i.
Implementación dinámica.
En la fase de precarga se almacena un 1 en el nudo intermedio.
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Cadena dinámica de un sumador Manchester.
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Sumador mediante selección de Carry
Calcula la suma con y sin acarreo. Mediante multiplexores de 2:1 y el carry
generado en la etapa previa se obtiene el resultado de la suma.
Sumador de 4 bits mediante selección de Carry.
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Sumador de 8 bits mediante selección de Carry.
Sumador serial
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Restador
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Multiplicador
Celda Básica
Planificación de un multiplicador de 4x4 bits
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Ejercicio
Diseñar un multiplicador 2x2 con entrada de datos tipo latch.
Barrel shifter
Un shifter es un circuito muy utilizado en operaciones aritméticas. Los
desplazamientos son equivalentes a multiplicaciones por potencias de 2. El
shifter más simple es el registro de desplazamiento que mueve una
posición por cada ciclo de reloj. Existen muchas ocasiones en las que se
necesita mover un dato varias posiciones por cada ciclo de reloj. Los barrel
shifter pueden realizar un desplazamiento de n-bit con una única función
combinacional y con un layout muy eficiente.
Estructura básica del barrel shifter
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Desplazamiento de una posición
Barrel shifter 4x4 con entradas A3A2A1A0
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