东南大学soc课件3 时序逻辑(1.5学时)

时序逻辑1Review（1）组合逻辑电路：当前的输出只与当前的输入有关。静态互补CMOS组合逻辑电路用NMOS做PDN，PMOS做PUNNMOS管产生“强零”而PMOS器件产生“强1”2Review（2）如何构建静态CMOS组合逻辑电路反向输出out=xx&xxx|xxxx下拉网络(NMOS)和上拉网络(PMOS)以输出为分界线呈对称互补关系晶体管数目相同,逻辑关系相反对于NMOS网络划分子模块，以“与/或”为基本运算与->晶体管串联或->晶体管并联3Review（3）静态互补CMOS组合逻辑的特性全摆幅，高噪声容限输出高电平->Vdd,输出低电平->GND无比电路输出和晶体管尺寸比例无关低输出阻抗输出和电源地总有通路高输入阻抗输入有SiO2隔离，输入电流几乎为0，直流扇出系数非常大静态功耗极小稳定状态下无电源地直流通路4Review（4）影响静态CMOS组合逻辑电路性能的几个因素延时和输入方式有关当输入A=B=10变化时，延时最小当输入A=10,B=1变化时，延时最大延时随着扇入个数的增多而快速上升避免扇入大于或等于4的情况延时随着扇出数的增多而线性增加扇出应小于等于45Review（5）降低大扇入电路的延时的方法逐级加大晶体管的尺寸调整晶体管顺序，关键路径上的晶体管靠近输出优化逻辑结构，减少扇入的个数6Review（6）影响静态CMOS组合逻辑电路功耗的因素电压摆幅物理电容翻转概率如何降低翻转概率逻辑重组选择具有较低的开关活动性的逻辑电路结构输入排序推迟输入具有较高翻转率的信号均衡信号路径减少毛刺7Review（7）静态门的特点是对噪声具有稳定性，具有良好的性能以及低功耗。是最适合于一般要求的逻辑设计类型。但是对于具有大扇入的复合门，互补CMOS就其面积和性能而言代价太大。伪NMOS结构简单，速度很快，但以减少噪声容限和增加静态功耗为代价。传输管逻辑十分适合于实现许多特殊的电路，如多路开关和加法器这样的以XOR为主的逻辑。动态逻辑可以实现较快和面积较小的复杂逻辑门。缺点是设计和工作比较复杂，并且由于对噪声敏感程度的增加而容易失败；需要进行周期性的刷新，于是限制了电路的最低工作频率。当前的趋势是互补静态CMOS的运用增多。这一倾向是由于在逻辑设计层次上越来越多地运用了设计自动化工具。这些工具的重点是放在逻辑层次而不是电路层次的优化上，并且非常重视提高稳定性。另一个原因静态CMOS比其它方法更适合于按比例降低电压。8引言组合逻辑电路的特点是，假设有足够的时间使逻辑门稳定下来，那么逻辑功能块的输出就只与当前输入值有关。然而事实上所有真正有用的系统都需要能保存状态信息，这就产生了另一类电路，称为时序逻辑电路。在这些电路中，输出不仅取决于当前的输入值，也取决于原先的输入值。换言之，一个时序电路能记住该系统过去的一些历史，即它具有记忆功能。9什么是时序逻辑通用有限状态机FSM，由组合逻辑和寄存器组成，由寄存器保持系统的状态。FSM的输出取决于当前输入和当前状态。它的下一状态由当前状态和当前输入决定并送到寄存器的输入。在时钟的上升沿，下一状态被复制到寄存器的输出（在一段传播延时之后），然后又开始新一轮的循环。寄存器随后将不理会输入信号的变化，直到下一个时钟上升沿。10存储类型DCLKCLKQ静态（基于正反馈）动态（基于电容）只要接通电源，静态存储器就会一直保存存储的状态。它是用正反馈或再生原理构成的，其电路拓扑结构有意识地把一个组合电路的输出和输入连在一起。当寄存器在较长时间内不被更新时静态存储器最为有用。上电时装入的设置数据就是一个很好的例子。动态存储器的数据只存储很短的一段时间，也许只有几毫秒。工作原理是在与MOS器件相关的寄生电容上暂时存储电荷。这些电容必须周期性地刷新以祢补泄露的电荷。动态存储器比较简单，具有较高的性能和较低的功耗。11锁存器和寄存器Latch:电平触发Register:边沿触发DClkQClkDQDClkQClkDQ锁存器是一个电平敏感电路，即在时钟信号为高电平时把输入D传送到输出Q。此时锁存器处于透明模式。当时钟为低电平时，在时钟下降沿处被采样的输入数据在输出端处整个阶段都保持稳定，此时锁存器处于维持模式。寄存器是在时钟上升沿采样输入数据。12锁存器(Latch）负锁存器(CLK=0选择D输入)正锁存器(CLK=1选择D输入)高电平透明锁存器低电平透明锁存器13基于Latch的时序电路NLatchLogicLogicPLatchfNlatchistransparent

whenf=0Platchistransparent

whenf=114基于MUX的Latch10DQ0CLK1DQ负锁存器(CLK=0选择D输入)正锁存器(CLK=1选择D输入)CLK15基于MUX的Latch的晶体管实现CLK＝1，切断反馈环路16基于MUX的Latch仅用NMOS传输管实现多路开关CLK＝1，切断反馈环路17寄存器基于主从结构的上升沿触发寄存器负锁存器(CLK=0选择D输入)正锁存器(CLK=1选择D输入)18基于MUX的寄存器设计19带复位的寄存器如何加入复位电路？真值表复位值的保持同步、异步？如何加入置位电路？复位、置位的优先级同步、异步？20时序参数tCLKtDtc2qtholdtsutQDATASTABLEDATASTABLE建立时间（tsu）是在时钟翻转（对于正沿触发寄存器为0->1的翻转）之前数据输入（D）必须有效的时间。维持时间（thold）是在时钟边沿之后数据输入必须仍然有效的时间。假设建立和维持时间都满足要求，那么输入端D处的数据则在最坏情况下的传播延时tc-q（相对于时钟边沿）之后被复制到输出端Q。21时序参数tsetup=tpI1+tpT1+tpI3+tpI2,保证了在传输门T2两端的节点电压值相等tc2q=tpT3+tpI6thold=022降低时钟负载传输门的缺点是时钟信号的电容负载很大。可以直接用交叉耦合反相器来省去反馈传输门。23避免时钟重叠CLKCLKAB(a)电路图(b)一对时钟重叠XDQCLKCLKCLKCLK解决方法：两相不重叠时钟（P247）24动态存储结构简单需要刷新时钟重叠静态时序电路的存储：一对交叉耦合的反相器形成了一个双稳元件并且因此可以用来记忆二进制值。动态时序电路的存储是将电荷暂时储存在寄生电容上。25Schmitt触发器1、对于一个变化很慢的输入波形，在输出端有一个快速翻转的响应2、电压传输特性表明对正向和负向变化的输入信号有不同的开关阈值26Schmitt触发器对噪声的抑制把一个含噪声或缓慢变化的输入信号转变成一个“干净”的数字输出信号27CMOSSchmitt触发利用正反馈来调节前级电路的翻转电平28单稳态电路输入翻转触发一个单脉冲单稳态电路是每当其静止状态受到一个脉冲或一个翻转事件触发时就产生一个宽度确定的脉冲的电路。29非稳态电路012N-1RingOscillatorsimulatedresponseof5-stageoscillator非稳态电路的输出在两个准稳态之间来回振荡。30压控振荡器(VCO)电流可控反相器型电压控制振荡器31Review（1）时序逻辑电路输出不仅取决于当前的输入值，也取决于原先的输入值时序逻辑电路的存储类型静态：基于正反馈动态：基于电容，降低复杂性、高性能、低功耗，抗干扰能力差，有最小刷新频率要求锁存器电平触发正锁存器和负锁存器寄存器边沿触发基于主从结构的上升沿触发器：由负锁存器和正锁存器构成32Review（2）寄