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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA
ELETTRONICA E DELLE TELECOMUNICAZIONI
CARRY LOOKAHEAD ADDER:APPROCCIO DOMINO
E FULLY-CMOS
Relatrice: Prof.ssa CARLA VACCHICorrelatore:Dott. MARCO CASTELLANO
Elaborato di Laureadi MATTEO MIOTTI
Anno Accademico 2005/2006
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SOMMATORI DIGITALI(PROGETTO AL CALCOLATORE)
1a parte: Analisi dei vantaggi del “Carry lookahead adder”
2a parte: Studio dell’architettura domino
3a parte: Progettazione e dimensionamento dei circuiti in architettura domino
e fully-CMOS
4a parte: Simulazione e valutazione delle prestazioni
dei due circuiti
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0 0 1 0 + 1 0 1 1 =
0 0 1 0 + 1 0 1 1 =
0
0 0 1 0 + 1 0 1 1 = 1
0
0 0 1 0 + 1 0 1 1 = 1
1 0
0 0 1 0 + 1 0 1 1 = 0 1
1 0
0 0 1 0 + 1 0 1 1 = 0 1
0 1 0
0 0 1 0 + 1 0 1 1 = 1 0 1
0 1 0
0 0 1 0 + 1 0 1 1 = 1 0 1
0 1 0
0 0 1 0 + 1 0 1 1 =0 1 1 0 1
0 1 0
0 0 1 0 + 1 0 1 1 =0 1 1 0 1
LA SOMMA IN COLONNA
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A B Cin S Cout
0 0 0 0 0
0 0 1 1 0
0 1 0 1 0
0 1 1 0 1
1 0 0 1 0
1 0 1 0 1
1 1 0 0 1
1 1 1 1 1
FULL ADDERRIPPLE CARRY ADDER
(RCA)
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t = Trt = 3*Trt = 2*Trt = 4*Trt = 0
PROBLEMA “RIPPLE CARRY ADDER”
Per eseguire una somma ad N bit
sono necessari N tempi di ritardo (Tr)
PROBLEMA: parole lunghe!
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E’ POSSIBILE RISOLVERE QUESTO PROBLEMA?
UTILIZZO UN DIFFERENTE APPROCCIO
CALCOLO TUTTI I RIPORTI DIRETTAMENTE DAGLI INGRESSI
CALCOLO TUTTI I BIT DI SOMMA CONTEMPORANEAMENTE
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Cout0 = G0 + P0 · Cin0
Cout1 = G1 + P1 · (G0 + P0 · Cin0)
Cout2 = G2 + P2 · (G1 + P1 · (G0 + P0 · Cin0))
Cout3 = G3 + P3 · (G2 + P2 · (G1 + P1 · (G0 + P0 · Cin0)))
RIPORTICouti = Cini+1 = Gi + Pi · Cini
PROPAGATEPi = Ai Bi
GENERATEGi = Ai · Bi
SOMMESi = Cini Ai Bi = Cini Pi
CARRY LOOKAHEAD ADDER (CLA)
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CLA AD OTTO BIT
SI UTILIZZANO DUE BLOCCHI
PER IL CALCOLO DEI RIPORTI
A QUATTRO BIT
E SI COLLEGANO IN CASCATA
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“CARRY LOOKAHEAD ADDER”
VANTAGGIO:
Aumento della velocità
SVANTAGGI:
Maggiore complessità
Maggior numero di porte logiche utilizzate
Maggiore potenza dissipata
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CHE ARCHITETTURA UTILIZZO PER REALIZZARE IL
“CARRY LOOKAHEAD ADDER”?
Tecnologia CMOS
Fully-CMOS Domino
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ARCHITETTURA DOMINO
1
1
1Fase di valutazioneFase di pre-carica
0
0
?
1
1
0Fase di valutazione
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Logica dinamica
Fully-CMOSDomino
1 001
0
0
? 1 10
0
1
1
1
CONFRONTO FUNZIONAMENTO
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VANTAGGI E SVANTAGGI DELLA LOGICA DOMINO
VANTAGGI:
Diminuzione del numero di transistori utilizzati per logiche con molti ingressi
Aumento della velocità
SVANTAGGI:
Maggiore complessità
Necessità di un segnale di temporizzazione
Non tutte le porte logiche possono essere realizzate
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CHARGE SHARING
fase di pre-caricafase di valutazione
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INVERTER IN CASCATA
1
1 1
1
0
0 0
01
1 1
1
0
0 0
0
11
? X 0X 0
10?
11X 0X 1
NON FUNZIONA!!
E’ possibile realizzare solo funzioni NON negate!
1
1 X 0
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ARCHITETTURA DOMINO
Posso eliminare gli inverter?
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ZIPPER DOMINO
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INVERTER IN CASCATA IN LOGICA ZIPPER DOMINO
0
0 0
0
0
0
1 1 01
1
1
1
11
1
X 0 X 1X 0
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EX-OR
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…TORNANDO ALLO SCHEMA DEL CLA
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SCHEMA BLOCCHI IN LOGICA DOMINO
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CIRCUITI RIPORTI
C0
C1
C2
C3
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C0
C1
C2
C3
MULTIPLE OUTPUT DOMINO LOGIC (MODL)
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GENERATORE DI CLOCK
Duty cicle = 50%
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COME DIMENSIONO I TRANSISTORI?
OUT2 = B nor C
OUT1 = not A
molteplicità
Utilizzo una tecnologia con lunghezza minima di canale di 0,35 μm
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CIRCUITO FINALE IN LOGICA DOMINO
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Pre-carica del nodo
Prima del dimensionamento
Dopo il dimensionamento
COSA E’ MIGLIORATO?
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CIRCUITO FINALE IN LOGICA FULLY-CMOS
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FASE DI VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI
Circuitoin logicadomino
Circuitoin logica
Fully-CMOS
Verifica corretto funzionamento
e valutazione potenza media dissipata
Verifica corretto funzionamento anche con tensione di alimentazione e temperatura non nominali
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PROGRAMMI
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PROGRAMMI
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TABELLA RIASSUNTIVA
Domino Fully-CMOS
Frequenza di lavoro massima
500 MHz 400 MHz
Transistori a canale P utilizzati
389 656
Transistori a canale N utilizzati
137 188
Area attiva occupata
870 m2 1390 m2
Potenza dissipata
3,2 mW 2,7 mW
Potenza / Frequenza
6,4 W / MHz 6,75 W / MHz
CONFRONTO PRESTAZIONI (SIMULAZIONI)
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LAVORO SVOLTO
Studio della logica domino
con relativi problemi di implementazionee di alcuni suoi derivati (ZIPPER e MODL)
Progettazione del “carry lookahead adder” sia in logica domino sia in fully-CMOS
Simulazione circuiti utilizzando “OrCAD Capture CIS” Realizzazione di due programmmi attraverso l’utilizzo
di “LabView” della “National Instruments” Simulazione del circuito in logica domino utilizzando
l’interfaccia “Design FrameWork II” della ditta “Cadence”e il simulatore “Spectre” (lunghezza di canale minima di 130 nm, frequenza di funzionamento di circa 2 GHz)