專利名稱：基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗t運(yùn)算電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種T運(yùn)算電路，尤其是涉及一種基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路。
背景技術(shù)：
隨著集成電路工藝的快速發(fā)展，布線面積已成為制約芯片面積的最主要因素，而多值邏輯的提出為減少芯片內(nèi)部連線和芯片面積提供了一種有效途徑。同時，在處理相同信息量時，使用高信息攜帶量的多值信號所需傳輸線數(shù)遠(yuǎn)小于使用二值信號的個數(shù)，可有效提高電路的空間和時間利用率，因此近年來對多值邏輯的研究引起了越來越多的重視。T算子作為通用的多值邏輯算子，能實(shí)現(xiàn)多值代數(shù)完備運(yùn)算集，構(gòu)成T算子代數(shù)對研究多值邏輯具有十分重要的意義。通過構(gòu)建T運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)，T運(yùn)算電路可以實(shí)現(xiàn)任意多值邏輯電路，是基本的多值單元電路之一。與靜態(tài)CMOS電路相比，多米諾電路具有面積和速度占優(yōu)勢的特性，而被廣泛用于現(xiàn)代高性能微處理器中。但是，多米諾電路由于周期性的預(yù)充電和放電操作，表現(xiàn)出較高的開關(guān)活動性，其能耗較大。而絕熱電路(或稱能量恢復(fù)型電路)采用交流脈沖電源，改變了傳統(tǒng)能量由電源傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)電容再傳輸?shù)降氐姆绞?，其采用電源傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)電容再返回至電源的重復(fù)利用方式，因此，減少了傳統(tǒng)能量直接轉(zhuǎn)化為熱能的消耗，使大部分能量將被恢復(fù)到電源以便于在下一周期被再次使用，可以有效地減小電路的功耗。鑒此，將絕熱技術(shù)和多米諾邏輯結(jié)合應(yīng)用到T運(yùn)算電路中，設(shè)計(jì)一種基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路具有現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的 技術(shù)問題是提供一種具有正確的邏輯功能，且功耗較低的基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路，包括邏輯O選通電路、邏輯I選通電路和邏輯2選通電路，所述的邏輯O選通電路包括第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，所述的邏輯2選通電路包括第四PMOS管、第五PMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管和八NMOS管，所述的邏輯I選通電路包括第六PMOS管、第七PMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、第i^一 NMOS管和第十二 NMOS管，所述的第一 PMOS管的柵極、所述的第二 PMOS管的柵極、所述的第四PMOS管的柵極、所述的第六PMOS管的柵極、所述的第二 NMOS管的柵極、所述的第四NMOS管的柵極、所述的第七NMOS管的柵極和所述的第十一 NMOS管的柵極連接且其連接端接入第一時鐘信號；所述的第一 PMOS管的源極、所述的第二 PMOS管的源極、所述的第四PMOS管的源極、所述的第六PMOS管的源極、所述的第二 NMOS管的源極、所述的第四NMOS管的源極、所述的第五NMOS管的柵極、所述的第七NMOS管的源極、所述的第八NMOS管的柵極、所述的第十一 NMOS管的源極和所述的第十二 NMOS管的柵極連接且其連接端接入第二時鐘信號，所述的第一時鐘信號與所述的第二時鐘信號的幅值相同且相位相差180度；所述的第一 PMOS管的漏極、所述的第一 NMOS管的漏極和所述的第三NMOS管的柵極連接，所述的第一 NMOS管的源極與所述的第二 NMOS管的漏極連接，所述的第二 PMOS管的漏極、所述的第三NMOS管的漏極、所述的第三PMOS管的柵極和所述的第九NMOS管的柵極連接，所述的第三NMOS管的源極與所述的第四NMOS管的漏極連接，所述的第三PMOS管的漏極與所述的第五NMOS管的漏極連接，所述的第四PMOS管的漏極、所述的第五PMOS管的柵極、所述的第六NMOS管的漏極和所述的第十NMOS管的柵極連接，所述的第六NMOS管的源極與所述的第七NMOS管的漏極連接，所述的第五PMOS管的漏極與所述的第八NMOS管的漏極連接，所述的第六PMOS管的漏極、所述的第七PMOS管的柵極和所述的第九NMOS管的漏極連接，所述的第九NMOS管的源極和所述的第十NMOS管的漏極連接，所述的第十NMOS管的源極和所述的第十一 NMOS管的漏極連接，所述的第七PMOS管的漏極與所述的第十二 NMOS管的漏極連接，所述的第一 NMOS管的柵極與所述的第六NMOS管的柵極連接且其連接端作為所述的基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路的三值選通信號輸入端，所述的第三PMOS管的漏極、所述的第五NMOS管的漏極、所述的第五PMOS管的漏極、所述的第八NMOS管的漏極、所述的第七PMOS管的漏極和所述的第十二 NMOS管的漏極連接且其連接端作為所述的基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路的信號輸出端。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將絕熱技術(shù)和多米諾邏輯結(jié)合應(yīng)用到T運(yùn)算電路中，根據(jù)T運(yùn)算和文字運(yùn)算定義式，以開關(guān)信號理論為指導(dǎo)，推導(dǎo)出基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路的開關(guān)級表達(dá)式，從而得到包括邏輯O選通電路、邏輯I選通電路和邏輯2選通電路的T運(yùn)算電路，通過將多米諾電路、絕熱電路與多值電路進(jìn)行結(jié)合，使基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路采用電源傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)電容再返回至電源的重復(fù)利用方式，減少了傳統(tǒng)能量直接轉(zhuǎn)化為熱能的消耗，使大部分能量恢復(fù)到電源以便于在下一周期被再次使用，對本發(fā)明的基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路的邏輯功能和低功耗特性用HSPICE進(jìn)行驗(yàn)證，其完全符合三值T運(yùn)算電路的功能，具有正確的邏輯功能，相對于三值常規(guī)多米諾T運(yùn)算電路能耗減少了 51.79%，具有明顯的低功耗特征。


圖1為邏輯O選通電路的電路圖；圖2為邏輯2選通電路的電路圖；圖3為邏輯I選通電路的電路圖；圖4為本發(fā)明的符號圖；圖5為第一時鐘信號和第二時鐘信號的波形圖；圖6為開關(guān)一信號代數(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明的瞬態(tài)特性曲線；圖8為本發(fā)明與三值常規(guī)多米諾T運(yùn)算電路的瞬態(tài)能耗比較圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
實(shí)施例:一種基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路，包括邏輯O選通電路、邏輯I選通電路和邏輯2選通電路，如圖1所示，邏輯O選通電路包括第一 PMOS管P1、第二 PMOS管P2、第三PMOS管P3、第一 NMOS管N1、第二 NMOS管N2、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4和第五NMOS管N5 ;如圖2所示，邏輯2選通電路包括第四PMOS管P4、第五PMOS管P5、第六NMOS管N6、第七NMOS管N7和八NMOS管N8 ;如圖3所示，邏輯I選通電路包括第六PMOS管P6、第七PMOS管P7、第九NMOS管N9、第十NMOS管N10、第^^一 NMOS管Nll和第十二 NMOS管N12，第一 PMOS管Pl的柵極、第二 PMOS管P2的柵極、第四PMOS管P4的柵極、第六PMOS管P6的柵極、第二 NMOS管N2的柵極、第四NMOS管N4的柵極、第七NMOS管N7的柵極和第i^一 NMOS管Nll的柵極連接且其連接端接入第一時鐘信號elk ;第一 PMOS管Pl的源極、第二 PMOS管P2的源極、第四PMOS管P4的源極、第六PMOS管P6的源極、第二 NMOS管N2的源極、第四NMOS管N4的源極、第五NMOS管N5的柵極、第七NMOS管N7的源極、第八NMOS管N8的柵極、第i^一 NMOS管NI I的源極和第十二 NMOS管N12的柵極連接且其連接端接入第二時鐘信號nclk，第一時鐘信號elk與第二時鐘信號nclk的幅值相同且相位相差180度，兩者的波形圖如圖5所示；第一 PMOS管Pl的漏極、第一 NMOS管NI的漏極和第三NMOS管N3的柵極連接，第一 NMOS管NI的源極與第二 NMOS管N2的漏極連接，第二 PMOS管P2的漏極、第三NMOS管N3的漏極、第三PMOS管P3的柵極和第九NMOS管N9的柵極連接，第三NMOS管N3的源極與第四NMOS管N4的漏極連接，第三PMOS管P3的源極與第五NMOS管N5的源極連接且其連接端為第一信號輸入端,接入第一輸入信號irv第四PMOS管P4的漏極、第五PMOS管P5的柵極、第六NMOS管N6的漏極和第十NMOS管NlO的柵極連接，第六NMOS管N6的源極與第七NMOS管N7的漏極連接，第五PMOS管P5的源極與第八NMOS管NS的源極連接且其連接端為第二信號輸入端，接入第二輸入信號in2，第六PMOS管P6的漏極、第七PMOS管P7的柵極和第九NMOS管N9的漏極連接，第九NMOS管N9的源極和第十NMOS管NlO的漏極連接，第十NMOS管NlO的源極和第i^一 NMOS管Nll的漏極連接，第七PMOS管P7的源極與第十二 NMOS管N12的源極連接且其連接端為第三信號輸入端，接入第三輸入信號In1，第一 NMOS管NI的柵極與第六NMOS管N6的柵極連接且其連接端作為基于絕熱多米諾 邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路的三值選通信號輸入端，接入三值選通信號X，第三PMOS管P3的漏極、第五NMOS管N5的漏極、第五PMOS管P5的漏極、第八NMOS管N8的漏極、第七PMOS管P7的漏極和第十二 NMOS管N12的漏極連接且其連接端作為基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路的信號輸出端，輸出三值輸出信號out。本實(shí)施例中的基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)過程如下所述:一、首先引入開關(guān)信號理論在開關(guān)代數(shù)中，開關(guān)變量α，β的取值T和F分別表示晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，有與(.)、或(+)、非(_)三種基本運(yùn)算；在信號代數(shù)中，信號變量x，y的取值為0，1，...，πι-1，用來表示多值電路的m種電壓信號，有取小(η )、取大(U )及文字運(yùn)算(iXi)等基本運(yùn)算。開關(guān)代數(shù)與信號代數(shù)并不是相互獨(dú)立的，它們之間的關(guān)系如圖6所示，聯(lián)結(jié)運(yùn)算I用來描寫信號控制元件開關(guān)狀態(tài)的物理過程，聯(lián)結(jié)運(yùn)算II描寫元件的開關(guān)狀態(tài)控制信號的傳輸與形成的物理過程。其中，聯(lián)結(jié)運(yùn)算I主要有高閾比較運(yùn)算和低閾比較運(yùn)算:
高閾比較運(yùn)算A = X>t(I)
[F x<t低閾比較運(yùn)算Y =€ X<[(2)
[F χ > I聯(lián)結(jié)運(yùn)算II主要有傳輸運(yùn)算和并運(yùn)算:傳輸運(yùn)算:'V* α.二 f α —(3)
IΦ a 二 F并運(yùn)算:1) 2 J(4)
-‘ [S2 *a2 Ial=I^)式(3)中S為 傳輸源，Φ '為高阻狀態(tài)，*為傳輸運(yùn)算；式⑷中S1和S2分別表示兩個不同的傳輸源，傳輸運(yùn)算優(yōu)先級高于并運(yùn)算“#”，且為防止短路電流的出現(xiàn)，當(dāng)S1 Φ S2時不允許a i，α 2同時為T (導(dǎo)通)。根據(jù)式(3)和式(4)定義可得如下性質(zhì):并聯(lián)控制律:X*α #χ* β =χ* ( α + β ) (5)串聯(lián)控制律:(χ*α)*β =χ*(α.β) (6)交換律:χ*α #y* β =y* β #χ* α (7)從以上關(guān)系式可以看出，在CMOS電路中，輸出信號的傳輸可以直接通過電壓控制晶體管的開關(guān)實(shí)現(xiàn)。二、引入三值T運(yùn)算T運(yùn)算電路是一種多功能邏輯器件。利用T門網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意的多值邏輯函數(shù)，在三值電路設(shè)計(jì)中有著重要的作用。三值T運(yùn)算的定義為:
W0, X = O5TQn0JnlJn2-^x) =X = I,(8)
in” χ = 2,式⑶中χ表不三值選通信號，in。、Iin1和in2表不三個輸入信號，三值選通信號χ用于控制信號irv In1和in2的傳輸，當(dāng)x=0時，in0被傳輸至輸出端；當(dāng)x=l時Jn1被傳輸至輸出端；x=2時，in2被傳輸至輸出端。該運(yùn)算電路類似于二值代數(shù)中二選一數(shù)據(jù)選擇器，實(shí)現(xiàn)三選一數(shù)據(jù)選擇運(yùn)算。結(jié)合文字運(yùn)算，式(8)可表示為:T (in0, in” in2; x) =in0.0Xc^in1.1X^in2.2X2 (9)其中，三值文字運(yùn)算定義為:iXi=C X = l, {0,1,2).(10)
[O, χ 本 i,根據(jù)文字運(yùn)算互斥與互補(bǔ)的約束關(guān)系，可以得到以下性質(zhì):tXi = JxJ + V=7X7-V,/k.j,k&{QX2\(11)根據(jù)開關(guān)信號理論和式(9)的T運(yùn)算定義式可以設(shè)計(jì)得到基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路；其中用N型絕熱多米諾電路產(chǎn)生控制信號丁用P型絕熱多米諾電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇傳輸。三、設(shè)計(jì)邏輯O選通電路和邏輯2選通電路
設(shè)第一時鐘信號為clk，第二時鐘信號為nclk，elk和nclk相位相差180度，x為三值選通信號。根據(jù)文字運(yùn)算定義式和開關(guān)信號理論可以推出輸出節(jié)點(diǎn)信號°X°和丁的開關(guān)級表達(dá)式為:
權(quán)利要求
1.一種基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路，其特征在于包括邏輯O選通電路、邏輯I選通電路和邏輯2選通電路，所述的邏輯O選通電路包括第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，所述的邏輯2選通電路包括第四PMOS管、第五PMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管和八NMOS管，所述的邏輯I選通電路包括第六PMOS管、第七PMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、第十一 NMOS管和第十二 NMOS管，所述的第一 PMOS管的柵極、所述的第二 PMOS管的柵極、所述的第四PMOS管的柵極、所述的第六PMOS管的柵極、所述的第二 NMOS管的柵極、所述的第四NMOS管的柵極、所述的第七NMOS管的柵極和所述的第十一 NMOS管的柵極連接且其連接端接入第一時鐘信號；所述的第一 PMOS管的源極、所述的第二 PMOS管的源極、所述的第四PMOS管的源極、所述的第六PMOS管的源極、所述的第二 NMOS管的源極、所述的第四NMOS管的源極、所述的第五NMOS管的柵極、所述的第七NMOS管的源極、所述的第八NMOS管的柵極、所述的第十一 NMOS管的源極和所述的第十二 NMOS管的柵極連接且其連接端接入第二時鐘信號，所述的第一時鐘信號與所述的第二時鐘信號的幅值相同且相位相差180度；所述的第一 PMOS管的漏極、所述的第一 NMOS管的漏極和所述的第三NMOS管的柵極連接，所述的第一 NMOS管的源極與所述的第二 NMOS管的漏極連接，所述的第二 PMOS管的漏極、所述的第三NMOS管的漏極、所述的第三PMOS管的柵極和所述的第九NMOS管的柵極連接，所述的第三NMOS管的源極與所述的第四NMOS管的漏極連接，所述的第三PMOS管的漏極與所述的第五NMOS管的漏極連接，所述的第四PMOS管的漏極、所述的第五PMOS管的柵極、所述的第六NMOS管的漏極和所 述的第十NMOS管的柵極連接，所述的第六NMOS管的源極與所述的第七NMOS管的漏極連接，所述的第五PMOS管的漏極與所述的第八NMOS管的漏極連接，所述的第六PMOS管的漏極、所述的第七PMOS管的柵極和所述的第九NMOS管的漏極連接，所述的第九NMOS管的源極和所述的第十NMOS管的漏極連接，所述的第十NMOS管的源極和所述的第i^一 NMOS管的漏極連接，所述的第七PMOS管的漏極與所述的第十二 NMOS管的漏極連接，所述的第一 NMOS管的柵極與所述的第六NMOS管的柵極連接且其連接端作為所述的基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路的三值選通信號輸入端，所述的第三PMOS管的源極、所述的第五NMOS管的源極、所述的第五PMOS管的源極、所述的第八NMOS管的源極、所述的第七PMOS管的源極和所述的第十二 NMOS管的源極連接且其連接端作為所述的基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路的信號輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于絕熱多米諾邏輯的三值低功耗T運(yùn)算電路，將絕熱技術(shù)和多米諾邏輯結(jié)合應(yīng)用到T運(yùn)算電路中，根據(jù)T運(yùn)算和文字運(yùn)算定義式，以開關(guān)信號理論為指導(dǎo)，推導(dǎo)出三值低功耗T運(yùn)算電路的開關(guān)級表達(dá)式，從而得到包括邏輯0選通電路、邏輯1選通電路和邏輯2選通電路T運(yùn)算電路；優(yōu)點(diǎn)是采用電源傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)電容再返回至電源的重復(fù)利用方式，減少了傳統(tǒng)能量直接轉(zhuǎn)化為熱能的消耗，使大部分能量將被恢復(fù)到電源以便于在下一周期被再次使用，對本發(fā)明的三值低功耗T運(yùn)算電路的邏輯功能和低功耗特性用HSPICE進(jìn)行驗(yàn)證，其完全符合三值T運(yùn)算電路的功能,具有正確的邏輯功能，相對于三值常規(guī)多米諾T運(yùn)算電路能耗減少了51.79%，具有明顯的低功耗特征。
文檔編號H03K19/094GK103219990SQ20131011307
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者汪鵬君, 鄭雪松, 楊乾坤 申請人:寧波大學(xué)