vlsi ياهرادم يحاط يبیتت ياه رادم :متفه...
TRANSCRIPT
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
VLSIطراحي مدارهاي
مدار هاي ترتیبي : فصل هفتم
مجيد شالچيان
دانشكذه مهنذسي برق
دانشگاه صنعتي امیركبیر
مذار های ترتیبي پویا: بخش دوم
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
رجیستر هاي ایستا و پویا
زجيستس ای ایستا
است وگدازی می کىىد حالت زا تا شماويک مىبع تغری زيشه .
بس يجد حلق فيدبک مثبت بيه خسيجی ي يزيدی عمل می کىىد مبتىی .
ويست می تان با يقتی تغييسات سيگىال چىدان سسیعclock gating تان زا کم کسد.
زجيستس ای پیا
حالت دز خاشوای پازاشیتی ذخيس می شد .
حالت زا ذخيس می کىىد( ميلی ثاوي) بسای شمان ای بسياز کتا .
متىايب سيگىال دازود وياش ب باشساشی(Refresh)
تس دازای سسعتباالتس ي مصسف تان کمتس ستىد معمال ساد .
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
Timing Metricsیادآوري داوشگا صىعتی اميسکبيس
clock
In
Out
data
stable
output
stable
output
stable
time
time
time
clock
tsu thold
tc-q
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
Review: System Timing Constraints داوشگا صىعتی اميسکبيس
Combinational
Logic
clock
Outputs
Next
State
Current
State
Inputs
T tc-q + tplogic + tsu tcdreg + tcdlogic thold
T (clock period)
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
داوشگا صىعتی اميسکبيس مقایسه لچ ایستا و پویا
D
CLK
CLK
Q
Dynamic (charge-based)
CLK
CLK
CLK
D
Q
Static
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
داوشگا صىعتی اميسکبيس
T1
T2
I1 I2 Q
QM D
C1
C2
!clk
clk
clk
!clk
!clk
clk
master transparent
slave hold
master hold
slave transparent
master slave
tsu =
thold =
tc-q =
tpd_tx
zero
2 tpd_inv + tpd_tx
فلیپ فالپ حساس به لبه دینامیکي
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
race conditionهمپوشاني کالک و داوشگا صىعتی اميسکبيس
T1
T2
I1 I2 Q
QM D
C1
C2
!clk
clk
clk
!clk
!clk
clk
0-0 overlap race condition
toverlap0-0 < tT1 +tI1 + tT2
1-1 overlap race condition
toverlap1-1 < thold
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
استفاده از کالک هاي نا همپوشان داوشگا صىعتی اميسکبيس
clk2
clk1
tnon_overlap
T1
T2
I1 I2 Q
QM D
C1
C2
clk1
!clk1
clk2
!clk2
master transparent
slave hold
master hold
slave transparent
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
داوشگا صىعتی اميسکبيس Pseudostatic Dynamic Latch
Robustness considerations limit the use of dynamic FF’s
coupling between signal nets and internal storage nodes can inject significant noise and destroy the FF state
leakage currents cause state to leak away with time
internal dynamic nodes don’t track fluctuations in VDD that reduces noise margins
A simple fix is to make the circuit pseudostatic
D
!clk
clk
Add above logic added to all dynamic latches
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
C2MOS (Clocked CMOS) ET Flipflop داوشگا صىعتی اميسکبيس
clk
!clk
!clk
clk
QM
C1 C2
Q D
M1
M3
M4
M2 M6
M8
M7
M5
Master Slave
!clk
clk
master transparent
slave hold
master hold
slave transparent
on
on
off
off on
on off
off
A clock-skew insensitive FF
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
C2MOS FF 0-0 Overlap Case داوشگا صىعتی اميسکبيس
0 0 QM
C1 C2
Q D
M1
M4
M2 M6
M8
M5
!clk
clk
!clk
clk
Clock-skew insensitive as long as the rise and fall times of the clock edges are sufficiently small
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
C2MOS FF 1-1 Overlap Case داوشگا صىعتی اميسکبيس
1 1
QM
C1 C2
Q D
M1
M2 M6
M5
!clk
clk
M3 M7
!clk
clk
1-1 overlap constraint
toverlap1-1 < thold
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
C2MOS Transient Response داوشگا صىعتی اميسکبيس
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 2 4 6 8
QM(3) Q(3)
Q(0.1)
Time (nsec)
clk(0.1)
clk(3)
For a
0.1 ns clock
For a
3 ns clock
(race condition
exists)
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
داوشگا صىعتی اميسکبيس Pipelining
RE
GR
EG
RE
G
log
a
CLK
CLK
CLK
Out
b
RE
GR
EG
RE
G
log
a
CLK
CLK
CLK
RE
G
CLK
RE
G
CLK
Out
b
Reference Pipelined
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
داوشگا صىعتی اميسکبيس
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
True Single Phase Clocked (TSPC) Latches داوشگا صىعتی اميسکبيس
clk clk In
Q
Positive Latch Negative Latch
transparent when clk = 1
hold when clk = 0
clk clk In
Q
hold when clk = 1
transparent when clk = 0
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
TSPC ET FF داوشگا صىعتی اميسکبيس
clk
master hold
slave transparent
clk clk
D
Master Slave
clk clk Q
QM
master transparent
slave hold
on on
off off
on on
off off
on on off off
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
Simplified TSPC ET FF داوشگا صىعتی اميسکبيس
clk D clk
Q
clk
clk
X
QM
M1
M2
M3 M6
M5
M4 M7
M8
M9
clk
master hold
slave transparent
master transparent
slave hold
on
on
off
off
1
!D on
off
on
off
D D
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
Sizing Issues in Simplified TSPC ET FF داوشگا صىعتی اميسکبيس
0
1
2
3
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (nsec)
clk
!Qorig
Qorig
!Qmod
Qmod
Transistor sizing
Original width
M4, M5 = 0.5m
M7, M8 = 2m
Modified width
M4, M5 = 1m
M7, M8 = 1m
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
Split-Output TSPC Latches داوشگا صىعتی اميسکبيس
clk In
Q
Positive Latch Negative Latch
transparent when clk = 1
hold when clk = 0
clk In Q
hold when clk = 1
transparent when clk = 0
A
A
When In = 0, A = VDD - VTn When In = 1, A = | VTp |
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
Split-Output TSPC ET FF داوشگا صىعتی اميسکبيس
clk D
Q
clk
clk
QM
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
Pulsed FF (AMD-K6) داوشگا صىعتی اميسکبيس
Pulse registers - a short pulse (glitch clock) is generated locally from the rising (or falling) edge of the system clock and is used as the clock input to the flipflop
race conditions are avoided by keeping the transparent mode time very short (during the pulse only)
advantage is reduced clock load; disadvantage is substantial increase in verification complexity
clk
D
Q
M1
M2
M3
M4
M5
M6
P1
P2
P3 X
!clkd
0 ON Vdd
OFF OFF
1 1 0 ON
1/0 ON/
OFF
0/Vdd ON/OFF
1/0
0 OFF
1
1
OFF
ON ON
ON
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
داوشگا صىعتی اميسکبيس
Sense Amp FF (StrongArm SA100)
clk
D
Q
!Q
M1
M2
M3
M5
M6
M4
M9
M7
M8
M10
Sense amplifier (circuits that accept small swing input signals and amplify them to full rail-to-rail signals) flipflops
advantages are reduced clock load and that it can be used as a receiver for reduced swing differential buses
0
0
1
1
1
1
1
0
1
0
1
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
Flipflop Comparison Chart
Name Type #clk ld #tr tset-up thold tpFF
Mux Static 8 (clk-!clk) 20 3tpinv+tptx 0 tpinv+tptx
PowerPC Static 8 (clk-!clk) 16
2-phase Ps-Static 8 (clk1-clk2) 16
T-gate Dynamic 4 (clk-!clk) 8 tptx to1-1 2tpinv+tptx
C2MOS Dynamic 4 (clk-!clk) 8
TSPC Dynamic 4 (clk) 11 tpinv tpinv 3tpinv
S-O TSPC Dynamic 2 (clk) 10
AMD K6 Dynamic 5 (clk) 19
SA 100 SenseAmp 3 (clk) 20
مذار های ترتیبي: هفتم فصل VLSI - مذارهای طراحي 1390 -مجیذ شالچیان
داوشگا صىعتی اميسکبيس Choosing a Clocking Strategy
Choosing the right clocking scheme affects the functionality, speed, and power of a circuit
Two-phase designs
+ robust and conceptually simple
- need to generate and route two clock signals
- have to design to accommodate possible skew between the two clock signals
Single phase designs
+ only need to generate and route one clock signal
+ supported by most automated design methodologies
+ don’t have to worry about skew between the two clocks
- have to have guaranteed slopes on the clock edges