Microsoft PowerPoint - 3.2組み合わせ回路BL.pptx

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1 3.2 組み合わせ回路 マイクロプロセッサへの適用例

2 3.2.1 加減算器 2

3 加算器 (Ripple Carry Adder: RCA) FA の真理値表 A B Cin Cout S A+B+Cin 3

4 FA(Full Adder) 真理値表 論理回路 A B Cin Cout S A + B B CI 1 0 A + B B 1 0 A + B If (A xor B) Cout = Cin; else Cout = B; A+B+Cin = 奇数 4

5 減算器 加算器を用いた減算 F A B A ( B) 減算器 bit 補数表現の例 2 の補数 1. ビット反転 2. LSB に 1 を加える ( キャリーに 1 入力 ) 5

6 加減算器 ( オペコード ) I F 0 A + B 1 A - B 6

7 加減算器の応用例 SUN SPARC A31 B31 Full Adder Cout F31 A30 B30 Full Adder F30 入出力レジスタ データ RAM 乗算器 データ ROM A1 B1 A0 B0 Full Adder Full Adder F1 F0 B ( 参考 ) 減算命令 I0 1 I1 0 I2 0 Cin 1 ALU( 算術論理演算ユニット ) ALU 累算レジスタ I0 I1 I2 Cin 32bit ALU A SEL MUX 7 Z

8 3.2.2 デコーダ 8

9 デコーダ Decoder I1 I0 D3 D2 D1 I={I1, I0} に対応する D={D3, D2, D1, } の要素を 1 つ選んで 1 を出力 ( 一般にバイナリコードから他のコード体系に変換するものはデコーダと呼ばれる 例 :7 セグメント デコーダなど ) Truth table I1 I0 Line D3 D2 D D D D 加法標準形 I1 I0 D1 I1 I0 D2 I1 I0 D3 I1I0 9

10 デコーダ回路 I1 I0 I1 I0 D1 I1 I0 D2 I1 I0 D3 I1 I0 D1 D2 D3 10

11 行デコーダデコーダの応用例 ( アドレス デコーダ ) Cache Memory A 0 A 1 メモリセルアレイ メモリセル デコーダ A1 A0 列デコーダ A 2 A 3 Wi SRAM メモリセル D1 D2 Di Di Intel Mobile Pentium III D3 11

12 3.2.3 シフタ 12

13 シフタの役割 シフト機能 定数倍 ( シフト + 加算 ) 浮動小数点演算などに使用 定数倍の例 : a * b = a * (b n 2 n + b n-1 2 n b ) = b n (a<<n) + b n-1 (a<<n-1) + + b 0 a 回路方式 バレルシフタ (Barrel Shifter) 次ページ 対数シフタ (Logarithmic Shifter) ( 左シフトと加算に変換 ) その他の基本演算 ( 加算 乗算 比較 除算 Modulo など ) の演算アルゴリズム及び回路実装については 集積回路工学第 2 で扱う 13

14 バレルシフタ 右シフト ( 桁下げ ) の真理値表 Sh3 Sh2 Sh1 Sh0 B3 B2 B1 B A3 A2 A1 A A3 A3 A2 A A3 A3 A3 A A3 A3 A3 A3 A3 A2 A1 n-ch 側のスイッチ マトリクス B3 B2 B1 青色は符号拡張 (sign-bit extension) A0 B0 Buffer I1 I0 DECODER CMOS スイッチ 1 段 + インバータ 2 段 14

15 ( 参考 )2 の補数による符号拡張 円の内側 :10 進数円の外側 :2 進数 (2 の補数表現 ) 拡張された 6bit 補数表現 ( 負 ) 3bit 補数表現拡張された 6bit 補数表現 ( 正 ) 最上位ビットの値を上位に必要ビット数だけ追加すればよい 15

16 3.2.4 エンコーダ 16

17 エンコーダ Encoder D3 D2 D1 Truth table P1 P0 D3 D2 D1 P1 P (0 0 ) DC DC DC DC DC DC ~D3 のうち論理値が 1 となったラインに対応するバイナリコードを出力する 但し 2 つ以上のラインが値 1 のとき に近いほうを優先する ( 一般に任意のコード体系からバイナリコードに変換するものはエンコーダと呼ばれる ) 17

18 18 エンコーダの実装例 D2 D1 D2) (D1 ) ( D2) (D1 D2) D1 (1 D2) (D1 D2 D1 P0 D1 D1 ) ( D1 D1 D1 D1) (1 D1 P1 ( 参考 ) ブール代数では 1 の AND と 0 の OR によって論理値が変化しないことを利用 D3 D2 D1 P0 P1 不要

19 エンコーダの応用例 フラッシュ型 ADC R/2 +Vref 0.125V Comparator Encoder Latch Lecroy 10GS/s ADC Vref = 1V Vin = 0V の場合 Vin 0.25V 0.25V 0.25V 0.25V R R R R Binary Data Vin (V) Thermometer Code Binary Code ~ (1) ~ ~ ~ ~ ~ ~ Encode ~ ~ V 0.25V 0.25V R R R R/2 -Vref V ゼロの数で値を表現 SYS_CLK Clocking Circuit 19

20 回路シミュレーションの準備 (1) 1. LTspice のインストール 電子回路第 2 及び演習の受講者は 既にインストール済み 電子回路第 2 及び演習を取っていない人は 下記のサイトでダウンロードして LTspiceをインストールしよう ( 初期設定 ) より 公開作業日誌 2. MOSFET モデルパラメータのインストール で自分用のMOSFET モデルパラメータを生成し ダウンロードする ファイル名が cmos***.lib となってることを確認する (*** は名列番号 ) モデルパラメータファイルは LTspiceの回路図ファイル ( 拡張子.asc) の保存先か C: Users ( ユーザ名 ) Documents LTspiceXVII lib cmp にコピーする 20

21 回路シミュレーションの準備 (2) 3. MOSFET シンボルのインストール より 集積回路工学第 1の案内ページに入り mosfet_symbols.zip をダウンロードする 解凍したフォルダには N_1u.asy, P_1u.asy, N_50n.asy, P_50n.asyの4 つのファイルが含まれている 解凍したフォルダ内の4 個のファイルを C: Users ( ユーザ名 ) Documents LTspiceXVII lib sym/ にコピーしておく 保存したシンボルは Component( その他の部品配置 ) ボタンにより Select Component Symbolフォームで選ぶことができる ドレインとソースの位置に注意 21

22 ( 重要 ) 市販半導体部品モデルと の違い 市販の半導体部品と集積回路の部品ではデバイスパラメータの設定方法や目的が大きく異なることに注意 市販半導体のデバイスモデル モデル名を指定するとパラメータ値が全て代入される 全ての同じ型番の半導体素子に 同じパラメータ値が用いられる 一度パラメータ値を決定すれば変える必要がない通常は 半導体メーカが提供する 集積回路のデバイスモデル モデル名を指定しても いくつかのパラメータは代入されない 各半導体素子毎に 異なるパラメータ値を設定できる 必要とする回路特性となるように 回路設計毎に パラメータ値を調整するただし 変更できるのは レイアウトに関係するパラメータのみ 22

23 演習 3.2 全加算器 (FA) を設計し 回路シミュレータの過渡応答解析により論理機能の検証を行え (1) 回路図 (2) シミュレーション結果のグラフ (3) ネットリスト ( スライド 30 参照 ) を添付すること ( 参考 ) 論理機能の検証は 過渡応答解析の結果と真理値表を比較することにより行う あまり高速に動作させると回路が誤動作する可能性があるので 綺麗な矩形波出力となる程度のパルス幅で入力波形 ( 入力ベクトル ) を作成する 23

24 演習 3.2 の解説 1 FA には 種々の構成法があるが ここでは マンチェスタ型と呼ばれる回路についてシミュレーションを行うことにする ( 算術演算アルゴリズムの詳細は 集積回路工学第 2 で扱う ) 真理値表 論理回路 A B CI S CO A + B B A + B CI A + B B スイッチは インバータ + トライステートインバータで構成 24

25 演習 3.2 の解説 3 階層的な回路設計を行う手順について解説する まず FAを構成する論理ゲートである インバータ EXOR, クロックトインバータを作成する 各回路を作成したら FAの保存先と同じフォルダに置くこと MOSFETサイズ INV 右クリック 右クリック Param. M1 M2 Model N_1u P_1u L 1u 1u W 5u 15u AD 15p 45p AS 15p 45p PD 11u 21u PS 11u 21u M 1 1 パラメータ値の決定法は 4.4 節で解説する 25

26 演習 3.2 の解説 4 EXOR MOSFETサイズ param. M1 M2 M3 M4 Model N_1u P_1u N_1u P_1u L 1u 1u 1u 1u W 5u 15u 5u 15u AD 15p 45p 15p 45p AS 15p 45p 15p 45p PD 11u 21u 11u 21u PS 11u 21u 11u 21u M

27 演習 3.2 の解説 5 CLKINV MOSFETサイズ param. M1,M2 M3, M4 Model N_1u P_1u L 1u 1u W 5u 15u AD 15p 45p AS 15p 45p PD 11u 21u PS 11u 21u M

28 演習 3.2 の解説 6 各論理ゲートのシンボルを作成する A A Z Z B A F Z 1. メニュー : [File] - [New Symbol] でシンボルエディタを起動 2. メニュー : [Draw] - [Line] 等でシンボルを描く 綺麗に書くのは面倒なので 四角のシンボル形状にし [Draw] - [Text] で 何の回路か分かるように回路名を書いておいてもよい 3. メニュー : [Edit] - [Add Pin/Port] でピンを作成 Schematic( 回路図 ) のポート名と一致させること 4. メニュー : [File] - [Save As ] でファイル名を付けて保存 シンボルファイル名は Schematicのファイル名.asy とすること 回路図ファイルと同じフォルダに保存すること 28 FB

29 演習 3.2 の解説 7 FA の回路図を作成する MOSFETのパラメータファイルグローバル配線の宣言 過渡応答解析 cmos***.lib (*** は名列番号 ) を使用 作成済みの回路は 通常の部品呼び出しと同じく Select Component Symbol フォームで選択する ただし Top Directory を回路とシンボルの保存先に切り替えること 29

30 演習 3.2 の解説 8 回路図の貼り付け方法 回路図のウインドウを選択し メニューよりTools > Copy bitmap to Clipboard レポートを作成しているアプリケーション上で貼り付け グラフの貼り付け方法 シミュレーションを実行し グラフを表示させる グラフのウインドウを選択し メニューよりTools > Copy bitmap to Clipboard レポートを作成しているアプリケーション上で貼り付け ネットリストの出力の方法 回路図のウインドウを選択し メニューよりView > SPICE Netlist Netlistが表示されたウインドウを右クリックし Generate Expanded Listing を選び 適当なフォルダに保存する ( 拡張子.sp) 30