專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于ctgal的絕熱4-2壓縮器及4×4乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種乘法電路，尤其是涉及一種基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器及4X4 乘法器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的深亞微米工藝的超大規(guī)模集成電路中，低功耗已經(jīng)成為芯片設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮 的目標(biāo)之一。低功耗技術(shù)研究已成為集成電路設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的領(lǐng)域。乘法運(yùn)算是最 基本的算術(shù)運(yùn)算，乘法器是現(xiàn)代微處理器的關(guān)鍵部件，在很多領(lǐng)域中都扮演著重要的 角色，并在很大程度上左右著系統(tǒng)的功耗，例如主要由乘法器構(gòu)成的乘加器單元所消 耗的功耗通常占整個(gè)DSP芯片功耗的50M。因此，研究低功耗乘法器具有重要的意義。 由于傳統(tǒng)CMOS集成電路采用直流電源供電，其能量損耗主要是在對(duì)節(jié)點(diǎn)電容充放電 時(shí)，電能到熱能的不可逆轉(zhuǎn)和能量的不可回收造成的。而絕熱CMOS電路采用交流脈沖 電源來(lái)驅(qū)動(dòng)電路，利用電源中的電感和電路中的節(jié)點(diǎn)電容形成LC振蕩回路，使得能量 以磁能和電能的形式相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)能量的重復(fù)利用，并以此減少或避免因耗能 元件一電阻引起的由電能轉(zhuǎn)換為熱能這一不可逆過(guò)程中的能量損耗。我們發(fā)明的鐘控傳輸門(mén)絕熱邏輯(clocked transmission gate adiabatic logic, CTGAL)基本電路如圖1所示，它是一種采用二相無(wú)交疊功率時(shí)鐘的具有極低功耗的絕 熱電路，CTGAL的操作分為2級(jí)，第一級(jí)在鐘控時(shí)鐘^"的控制下通過(guò)2個(gè)鐘控麗0S管 (N,， N2)對(duì)輸入信號(hào)(in， ^")進(jìn)行采樣；第二級(jí)通過(guò)自舉操作的NMOS管(N3， N4)以及 組成CMOS-latch結(jié)構(gòu)的P,, N5， P2， N6對(duì)負(fù)載充放電，使輸出波形完整，極大地降低了 電路的功耗。用互補(bǔ)的醒0S邏輯塊代替圖1中CTGAL基本電路的自舉操作的醒0S管(N3， N4),即可得到如圖2、圖3和圖4所示的CTGAL與門(mén)、CTGAL或門(mén)和CTGAL 二選1數(shù)據(jù) 選擇器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器及4X4乘法 電路，將絕熱電路應(yīng)用到乘法運(yùn)算中，實(shí)現(xiàn)低功耗絕熱4-2壓縮器和乘法器，并具有 正確的邏輯功能及能量恢復(fù)特性。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為 一種基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器， 由至少兩個(gè)4-2壓縮單元串接而成，所述的4-2壓縮單元包括高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路， 下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路和求和信號(hào)產(chǎn)生電路，所述的高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路由兩個(gè) CTGAL或門(mén)電路和一個(gè)CTGAL與門(mén)電路組成，所述的下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路由兩個(gè) CTGAL與門(mén)電路、 一個(gè)CTGAL或門(mén)電路和一個(gè)CTGAL二選一選擇器組成，所述的求和信 號(hào)產(chǎn)生電路由四個(gè)CTGAL異或門(mén)電路組成，所述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路中第二級(jí)CTGAL異 或門(mén)電路的輸出端與所述的CTGAL 二選一選擇器的選擇輸入端連接，相鄰低位的所述的 4-2壓縮單元的所述的高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路的高位進(jìn)位信號(hào)輸出端與相鄰高位的所述 的4-2壓縮單元的低位進(jìn)位信號(hào)輸入端連接，所述的低位進(jìn)位信號(hào)輸入端分別連接于所 述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路中最后一級(jí)CTGAL異或門(mén)的一個(gè)輸入端和所述的下一級(jí)進(jìn)位信號(hào) 產(chǎn)生電路中的CTGAL 二選一選擇器的一個(gè)輸入端。
使用上述的絕熱4-2壓縮器的4X4乘法電路，它包括一個(gè)絕熱求和與陣列、 一個(gè) 絕熱4-2壓縮器和一個(gè)絕熱并行前綴加法器，所述的絕熱求和與陣列包括十六個(gè)獨(dú)立的 CTGAL與門(mén)電路，所述的絕熱4-2壓縮器由四個(gè)4-2壓縮單元串接而成，所述的絕熱并 行前綴加法器為基于CTGAL的8位Ladner-Fischer加法器，所述的4-2壓縮單元包括 高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路,下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路和求和信號(hào)產(chǎn)生電路，所述的高位進(jìn) 位信號(hào)產(chǎn)生電路由兩個(gè)CTGAL或門(mén)電路和一個(gè)CTGAL與門(mén)電路組成，所述的下一級(jí)進(jìn)位 信號(hào)產(chǎn)生電路由兩個(gè)CTGAL與門(mén)電路、 一個(gè)CTGAL或門(mén)電路和一個(gè)CTGAL 二選一選擇器 組成，所述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路由四個(gè)CTGAL異或門(mén)電路組成，所述的求和信號(hào)產(chǎn)生電 路中第二級(jí)CTGAL異或門(mén)電路的輸出端與所述的CTGAL 二選一選擇器的選擇輸入端連 接，相鄰低位的所述的4-2壓縮單元的所述的高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路的高位進(jìn)位信號(hào)輸 出端與相鄰高位的所述的4-2壓縮單元的低位進(jìn)位信號(hào)輸入端連接，所述的低位進(jìn)位信 號(hào)輸入端分別連接于所述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路中最后一級(jí)CTGAL異或門(mén)的一個(gè)輸入端和 所述的下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路中的CTGAL 二選一選擇器的一個(gè)輸入端。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將本位的絕熱4-2壓縮器的高位的進(jìn)位信號(hào)輸出端6bW接入相鄰的高位絕熱4-2壓縮器的進(jìn)位信號(hào)輸入端CY"，對(duì)延遲并無(wú)影響，
因?yàn)楦呶籆Y/7在被采用時(shí)，本位的Cb"剛好形成，且CTGAL電路采用二相無(wú)交疊功率
時(shí)鐘，絕熱4-2壓縮單元電路操作分三級(jí)，故本位的Co"和相鄰高位的。'"具有相同
的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)正確的邏輯運(yùn)算。與傳統(tǒng)的基于CM0S的4-2壓縮器相比，由于本發(fā)
明的選擇器和異或門(mén)具有相同的電路結(jié)構(gòu)，故其電路的延時(shí)，連線(xiàn)和面積都相對(duì)減少。 常用的乘法器一般由部分積生成電路和部分積求和電路組成，本發(fā)明的部分積生成
電路由CTGAL與門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的部分積求和電路由絕熱4-2壓縮器和
Ladner-Fischer加法器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)部分積數(shù)目大于四時(shí)，絕熱4-2壓縮器采用Wallace樹(shù)型
結(jié)構(gòu)相連，如圖9和圖10所示，與串行加法陣列不同，Wallace樹(shù)型結(jié)構(gòu)不是直接將所有
的部分積依次相加，而是采用趨于并行的結(jié)構(gòu)對(duì)部分積進(jìn)行求和操作，以盡量減少由于
進(jìn)位傳輸引起的延遲時(shí)間，從而提高整個(gè)部分積加法陣列的運(yùn)算速度，提高部分積的求
和速度；對(duì)Wallace樹(shù)最終輸出的和信號(hào)和進(jìn)位信號(hào)，需用Ladner-Fischer加法器對(duì)它
們求和，本發(fā)明由于只有4個(gè)部分積，故只需一個(gè)絕熱4-2壓縮單元和一個(gè)
Ladner-Fischer加法器就可實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于絕熱電路具有極低的功耗，將絕熱電路運(yùn)
用到傳統(tǒng)CMOS乘法電路中可實(shí)現(xiàn)低功耗乘法器。
采用TSMC 0.25um CMOS工藝器件參數(shù)，對(duì)上述絕熱4-2壓縮器和4X4位絕熱乘法器 進(jìn)行功能模擬。圖13和圖14分別給出了基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器的模擬波形及與基于 CM0S的4-2壓縮器瞬態(tài)能耗比較，模擬結(jié)果表明基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器具有正確的 邏輯功能，且與基于CM0S的4-2壓縮器相比，節(jié)省能耗約90%。
圖15為被乘數(shù)和乘數(shù)分別是#=1010， &1110的4X4位絕熱乘法器的模擬結(jié)果， 圖中S…&是A 5的乘積，由ZX5=10001100可見(jiàn)4X4位絕熱乘法器具有正確的邏輯 功能。圖16是4X4位絕熱乘法器的瞬態(tài)能耗圖，瞬態(tài)能耗曲線(xiàn)的上升部分表示電源向 電路注入能量，下降部分表明電源從電路回收能量，凹底的漸升反映了電路的能耗，可 見(jiàn)電路具有明顯的能量恢復(fù)和低功耗特性。
CTGAL電路以全絕熱方式對(duì)結(jié)點(diǎn)電容充放電，具有極低的功耗，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的 絕熱乘法器具有明顯的能量恢復(fù)特性。


圖1為CTGAL基本電路的示意結(jié)構(gòu)圖和表示符號(hào)；圖2為CTGAL與門(mén)的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號(hào)；圖3為CTGAL或門(mén)的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號(hào)；圖4為CTGAL 2選1數(shù)據(jù)選擇器的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號(hào)；圖5為本發(fā)明基于CTGAL的絕熱4-2壓縮單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明4X4位絕熱乘法器的原理示意圖；圖8為本發(fā)明4X4位絕熱乘法器結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為絕熱串行加法陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明絕熱Wallace樹(shù)形結(jié)構(gòu)示意圖；圖ll為運(yùn)算結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為L(zhǎng)ardner-Fischer加法器結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器功能模擬波形；圖14為基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器與基于CMOS的4-2壓縮器瞬態(tài)能耗比較； 圖15為被乘數(shù)和乘數(shù)分別是#1010, ^1110的4X4位絕熱乘法器的模擬結(jié)果; 圖16為4X4位絕熱乘法器的瞬態(tài)能耗圖。
具體實(shí)施方式
以結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例一如圖5和圖6所示， 一種基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器，由四個(gè)4-2壓縮單 元1串接而成，4-2壓縮單元包括高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路11,下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路12 和求和信號(hào)產(chǎn)生電路13，高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路11由兩個(gè)CTGAL或門(mén)電路和一個(gè)CTGAL與 門(mén)電路組成，下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路12由兩個(gè)CTGAL與門(mén)電路、 一個(gè)CTGAL或門(mén)電路和 一個(gè)CTGAL二選一選擇器組成，求和信號(hào)產(chǎn)生電路13由四個(gè)CTGAL異或門(mén)電路組成，求和 信號(hào)產(chǎn)生電路13中第二級(jí)CTGAL異或門(mén)電路的輸出端與CTGAL二選一選擇器的選擇輸入 端連接，相鄰低位的4-2壓縮單元l的高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路ll的高位進(jìn)位信號(hào)輸出端 Co^與相鄰高位的4-2壓縮單元l的低位進(jìn)位信號(hào)輸入端C/"連接，低位進(jìn)位信號(hào)輸入端 aw分別連接于求和信號(hào)產(chǎn)生電路13中最后一級(jí)CTGAL異或門(mén)的一個(gè)輸入端和下一級(jí)進(jìn) 位信號(hào)產(chǎn)生電路12中的CTGAL二選一選擇器的一個(gè)輸入端。根據(jù)部分積的數(shù)目和相互間的位移，將對(duì)應(yīng)數(shù)目的絕熱4-2壓縮單元的CY"和Co"依次相連就可得到圖6所示的絕熱4-2壓縮器，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)四個(gè)/7位且位移為l的部分積 尸o
， A
，柳…/rl]， /UO…/rl]進(jìn)行求和的操作。對(duì)部分積求和時(shí)應(yīng) 先將部分積移位，以便具有相同權(quán)重的數(shù)相加，剩余的輸入端接0。實(shí)施例二如圖7和圖8所示，使用與實(shí)施例一相同的絕熱4-2壓縮器的4X4乘法器， 它包括一個(gè)絕熱求和與陣列IO、 一個(gè)絕熱4-2壓縮器20和一個(gè)絕熱并行前綴加法器30， 絕熱求和與陣列10包括十六個(gè)獨(dú)立的CTGAL與門(mén)電路，絕熱并行前綴加法器30為基于 CTGAL的8位Ladner-Fischer加法器?；诮^熱4-2壓縮器的Wallace樹(shù)可將整個(gè)陣列的延遲時(shí)間級(jí)數(shù)由串行加法陣列的 0(77/2*3縮減到O((log2/7)*o)，其中，/7為部分積的個(gè)數(shù)，o為一個(gè)4-2壓縮器的延遲時(shí)間。 由圖8、圖9可見(jiàn)，當(dāng)部分積有16個(gè)時(shí)，串行加法整列的延遲時(shí)間為七級(jí)絕熱4-2壓縮器 和一級(jí)并行前綴加法器的延遲時(shí)間，而Wallace樹(shù)的延遲時(shí)間為三級(jí)絕熱4-2壓縮器和一 一級(jí)并行前綴加法器的延遲時(shí)間。采用延遲時(shí)間較短的Ladner-Fischer加法器對(duì)Wallace樹(shù)最終輸出的求和信號(hào)和進(jìn) 位信號(hào)相加，Ladner-Fischer加法器是由一系列運(yùn)算組成，運(yùn)算的運(yùn)算過(guò)程 如圖11所示。圖12是一個(gè)8位Ladner-Fischer加法器的結(jié)構(gòu)圖，其延遲時(shí)間為(log2yz )*7， 其中歷為加數(shù)或被加數(shù)的位數(shù)(取較大的)，/為一個(gè)"0"運(yùn)算的延遲時(shí)間。為實(shí)現(xiàn) Ladner-Fischer加法器完整的加法運(yùn)算還需引用以下幾個(gè)公式g, =", A, A =A 6, (1) s0 =A>， & = A十c,一i， -c"-!, /=1,2,..，1 (2)進(jìn)行加法運(yùn)算時(shí)，先將待求和的兩個(gè)數(shù)統(tǒng)，&(1=0，1， ，/7~1)按式(1)計(jì)算得到信號(hào) &， A, &， A為L(zhǎng)adner-Fischer加法器的輸入信號(hào)，經(jīng)Ladner-Fischer加法器運(yùn)算后， 再將輸出信號(hào)Ci和A按式(2)計(jì)算即可得到兩數(shù)的和s (i=0, 1，， /7)。
權(quán)利要求
1、一種基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器，由至少兩個(gè)4-2壓縮單元串接而成，其特征在于所述的4-2壓縮單元包括高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路，下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路和求和信號(hào)產(chǎn)生電路，所述的高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路由兩個(gè)CTGAL或門(mén)電路和一個(gè)CTGAL與門(mén)電路組成，所述的下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路由兩個(gè)CTGAL與門(mén)電路、一個(gè)CTGAL或門(mén)電路和一個(gè)CTGAL二選一選擇器組成，所述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路由四個(gè)CTGAL異或門(mén)電路組成，所述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路中第二級(jí)CTGAL異或門(mén)電路的輸出端與所述的CTGAL二選一選擇器的選擇輸入端連接，相鄰低位的所述的4-2壓縮單元的所述的高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路的高位進(jìn)位信號(hào)輸出端與相鄰高位的所述的4-2壓縮單元的低位進(jìn)位信號(hào)輸入端連接，所述的低位進(jìn)位信號(hào)輸入端分別連接于所述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路中最后一級(jí)CTGAL異或門(mén)的一個(gè)輸入端和所述的下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路中的CTGAL二選一選擇器的一個(gè)輸入端。
2、 使用權(quán)利要求1所述的絕熱4-2壓縮器的4X4乘法器，其特征在于它包括一個(gè) 四級(jí)絕熱求和與陣列、 一個(gè)絕熱4-2壓縮器和一個(gè)絕熱并行前綴加法器，所述的絕熱并 行前綴加法器為8位絕熱Ladner-Fischer加法器，所述的絕熱求和與陣列包括十六個(gè) 獨(dú)立的CTGAL與門(mén)電路，所述的絕熱4-2壓縮器由四個(gè)4-2壓縮單元串接而成，所述的 4-2壓縮單元包括高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路，下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路和求和信號(hào)產(chǎn)生電 路，所述的高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路由兩個(gè)CTGAL或門(mén)電路和一個(gè)CTGAL與門(mén)電路組成， 所述的下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路由兩個(gè)CTGAL與門(mén)電路、 一個(gè)CTGAL或門(mén)電路和一個(gè) CTGAL二選一選擇器組成，所述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路由四個(gè)CTGAL異或門(mén)電路組成，所 述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路中第二級(jí)CTGAL異或門(mén)電路的輸出端與所述的CTGAL 二選一選擇 器的選擇輸入端連接，相鄰低位的所述的4-2壓縮單元的所述的高位進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路 的高位進(jìn)位信號(hào)輸出端與相鄰高位的所述的4-2壓縮單元的低位進(jìn)位信號(hào)輸入端連接， 所述的低位進(jìn)位信號(hào)輸入端分別連接于所述的求和信號(hào)產(chǎn)生電路中最后一級(jí)CTGAL異或 門(mén)的一個(gè)輸入端和所述的下一級(jí)進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生電路中的CTGAL 二選一選擇器的一個(gè)輸入上山頓。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于CTGAL的絕熱4-2壓縮器及使用該絕熱4-2壓縮器構(gòu)成的4×4乘法器，將本位的絕熱4-2壓縮器的高位的進(jìn)位信號(hào)輸出端Cout接入相鄰的高位絕熱4-2壓縮器的進(jìn)位信號(hào)輸入端Cin，由于CTGAL電路采用二相無(wú)交疊功率時(shí)鐘，絕熱4-2壓縮單元電路操作分三級(jí)，故本位的Cout和相鄰高位的Cin具有相同的相位關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)正確的邏輯運(yùn)算，而且與傳統(tǒng)的基于CMOS的4-2壓縮器相比，在同樣用絕熱電路實(shí)現(xiàn)的情況下，由于本發(fā)明的選擇器和異或門(mén)具有相同的電路結(jié)構(gòu)，故其電路的延時(shí)、連線(xiàn)和面積都相對(duì)減少，節(jié)省能耗可達(dá)90％，由于絕熱電路具有極低的功耗，因此本發(fā)明的乘法器可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較低的功耗。
文檔編號(hào)H03K19/173GK101303641SQ20081006254
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者建 徐, 汪鵬君 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)