加法運算是算術(shù)邏輯運算單元(ALU)中最基本的運算,加法器電路是CPU中重要運算電路。它的速度、面積和功耗的優(yōu)化對改進(jìn)高性能集成電路起著非常重要的作用。如何在改進(jìn)工藝的同時,使得加法器的性能得到提升,也是設(shè)計人員一直在攻克的難題。加法器主要在高性能處理器中執(zhí)行算術(shù)功能,并經(jīng)常用于電路的關(guān)鍵路徑。在高速電路設(shè)計中,標(biāo)準(zhǔn)單元通常不能滿足某些特定設(shè)計的要求。而全定制的設(shè)計方法,設(shè)計周期長、成本高。因此,在設(shè)計中采用半定制和單元全定制結(jié)合的方法來滿足設(shè)計要求,很大程度提高了設(shè)計效率。本文從算法級別、結(jié)構(gòu)級別、電路級別和布局級別深入研究加法器。首先從電路結(jié)構(gòu)入手,比較了傳統(tǒng)加法器的結(jié)構(gòu),進(jìn)而對超前進(jìn)位加法器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究比較。在研究超前進(jìn)位加法器的電路結(jié)構(gòu)時,分別對Kogge-Stone、Brent-Kung、Sklansky以及改進(jìn)的一些算法結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,最終選擇了面積較小、速度較快的基于Kogge-Stone算法的樹形加法器結(jié)構(gòu)。同時,電路采用層次化設(shè)計,進(jìn)位產(chǎn)生、進(jìn)位傳播、點操作以及求和等電路均采用動態(tài)電路。為了克服動態(tài)電路中電荷泄露的問題,在每個節(jié)點處設(shè)計了電荷保持器。電路級聯(lián)方面采用多米諾邏輯,既隔離了內(nèi)部和外部的電容,同時也增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性,防止漏電的發(fā)生。在時鐘設(shè)計方面,為了和算法相結(jié)合,時鐘采取自定時時鐘,既有效提升了時鐘利用率,同時也使得32位高速加法器發(fā)揮最大性能。電路設(shè)計完成后,使用Cadence的仿真工具對電路驗證。版圖設(shè)計中,比較了全定制與半定制的特點,并從面積、速度、以及時間進(jìn)度等方面進(jìn)行了比較。最終結(jié)合半定制和全定制的優(yōu)點,利用定制單元進(jìn)行自動布局布線。手工繪制單元版圖,整個加法器則利用INNOVUS工具實現(xiàn)布局布線生成GDSII,導(dǎo)入到Cadence工具中,進(jìn)行DRC和LVS的對比驗證。這種半定位的方式雖然使得最終設(shè)計的面積有了一定的增加,但極大提高了設(shè)計效率。本文基于TSMC0.18um工藝,用Cadence仿真工具對電路進(jìn)行時序仿真驗證。在1.8V電壓的條件下,負(fù)載設(shè)為50fF的條件下,延時為1.576ns。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP332;TN40
【部分圖文】：

?山東大學(xué)碩士學(xué)位論文???（１５?１４?１３?１２?１１?１０?９?８?７?６?５?４?３?２?１?０?）??（ｌ５：０?１４：０?１３：０?１２：０?１１：０?１０：０?９：０?８：０?７：０?６：０?５：０?４：０?３：０?２：０?１：０?０：〇）??圖２－９?１６位對數(shù)超前進(jìn)位加法器原理圖??Ｋｏｇｇｅ－Ｓｔｏｎｅ樹是理論上最快的樹形結(jié)構(gòu)。其主要特點是對于Ｗ位的加法運算，??只需要ｌ〇ｇ２?Ａ／步就可以計算出在位置Ｗ?－?ｌ（ｉ?＝?１，２，３…）上的進(jìn)位產(chǎn)生和進(jìn)位傳播??信號［２４］。它的互連結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，利于實現(xiàn)。Ｋｏｇｇｅ－Ｓｔｏｎｅ樹各級的扇出，尤其是??一些關(guān)鍵路徑上的扇出，基本為常數(shù)，達(dá)到了優(yōu)化的目的。由于扇出較小，所以晶??體管的尺寸可以較小，從而可以減小版圖的面積。但由于Ｖ－１以外的進(jìn)位信號，??需要復(fù)制進(jìn)位樹結(jié)構(gòu)，所有的運算結(jié)點為ＡＨｏｇ２／Ｖ?－?Ａ／?＋?１，使得互連線增多，版圖??實現(xiàn)上有一定的困難。??２．２．２?Ｂｒｃｎｔ－Ｋｕｎｇ?樹??Ｋｏｇｇｅ－Ｓｔｏｎｅ樹的結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，運算結(jié)點較多，導(dǎo)致功耗大。Ｂｒｅｎｔ－Ｋｉｍｇ的??結(jié)構(gòu)是用另一種遞歸的方法組織樹結(jié)構(gòu)，從而使得結(jié)點數(shù)量減少。２＂－１處的進(jìn)位??信號滿足式（２－１８）：??（〇），０，?０）?＝??〇）?＝?（。１＜?戶１）?＿?（Ｇ〇＜?戶０）?？?（Ｃｉ，〇，?〇）??（Ｃ〇，３＞?〇）?＝?（６３：２，尸３：２）?．?（Ｇｌ：０＜?戶１：０）?？?（Ｃｉ，０＜?〇）?（２－］８）??（Ｃ〇，７，?〇）?＝?（Ｇ７：４，Ｐ７：４）?？?（Ｇ３：０，Ｐ３：０）?■?（Ｃｉ，〇，?０）??Ｂｒｅｎｔ－Ｋｕｎｇ加法

ｒｅｎｔ－Ｋｕｎｇ加法器對于位數(shù)較大（大于３２位）并且追求速度的處理器并??不適用，對速度要求不高，想要節(jié)省面積的設(shè)計可以考慮這種電路結(jié)構(gòu)。??（１５?１４?１３?１２?１１?１０?９?８?７?６?５?４?３?２?１?０?）??—Ｔ一?．，一?一－，??，卜一＇??Ｉ?Ｉ?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?１?Ｉ?１?Ｉ?１?Ｉ?１?１??（ｌ５：０?１４：０?１３：０?１２：０?１１：０?１０：０?９：０?８：０?７：０?６：０?５：０?４：０?３：０?２：０?１：０?０：〇）??圖２－１０?１６位Ｂｒｅｎｔ－Ｋｕｎｇ樹結(jié)構(gòu)。淺灰色表示反向二進(jìn)制樹??２．２．３?Ｓｋｌａｎｓｋｙ?樹??Ｓｋｌａｎｓｋｙ樹邏輯級數(shù)為ｌｏｇ２?／Ｖ?，同Ｋｏｇｇｅ－Ｓｔｏｎｅ樹一樣，運算結(jié)點為??〇Ｖｌｏｇ２Ａ〇／２，為Ｋｏｇｇｅ－Ｓｔｏｎｅ樹的６０％。而這一結(jié)構(gòu)的主要問題是其扇出會隨著??位數(shù)的增多而線性增多。從圖２－１１［３］中也可以看出，當(dāng)／Ｖ＝１６時，其最大扇出為８，??同樣可以推算出，當(dāng)ｉＶ＝３２時，最大扇出會達(dá)到１６。這樣的扇出不僅對速度有較大??的影響，電路結(jié)構(gòu)也會變得相當(dāng)復(fù)雜，同時關(guān)鍵路徑的尺寸優(yōu)化變得非常困難，因??此在進(jìn)行位數(shù)較多的運算時不考慮這種結(jié)構(gòu)。??（１５?１４?１３?１２?１１?１０?９?８?７?６?５?４?３?２?１?〇）??＇ＨＨ?ＨＨ?ＨＨ??ｒ￣ｒ?ｒ？￣??ｒｍ￣，?ｒｍ￣??ｒｒｒｒ７￣ｒＴＴ￣??（１５：０?１４：０１３：０?１２：０?１１：０?１０：０?９：０?８：０?７：０?６：０?５：０?４：０?３：０?２：０?１：０?０：＾）??圖２－１１?１６位

ｒｅｎｔ－Ｋｕｎｇ加法器對于位數(shù)較大（大于３２位）并且追求速度的處理器并??不適用，對速度要求不高，想要節(jié)省面積的設(shè)計可以考慮這種電路結(jié)構(gòu)。??（１５?１４?１３?１２?１１?１０?９?８?７?６?５?４?３?２?１?０?）??—Ｔ一?．，一?一－，??，卜一＇??Ｉ?Ｉ?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?１?Ｉ?１?Ｉ?１?Ｉ?１?１??（ｌ５：０?１４：０?１３：０?１２：０?１１：０?１０：０?９：０?８：０?７：０?６：０?５：０?４：０?３：０?２：０?１：０?０：〇）??圖２－１０?１６位Ｂｒｅｎｔ－Ｋｕｎｇ樹結(jié)構(gòu)。淺灰色表示反向二進(jìn)制樹??２．２．３?Ｓｋｌａｎｓｋｙ?樹??Ｓｋｌａｎｓｋｙ樹邏輯級數(shù)為ｌｏｇ２?／Ｖ?，同Ｋｏｇｇｅ－Ｓｔｏｎｅ樹一樣，運算結(jié)點為??〇Ｖｌｏｇ２Ａ〇／２，為Ｋｏｇｇｅ－Ｓｔｏｎｅ樹的６０％。而這一結(jié)構(gòu)的主要問題是其扇出會隨著??位數(shù)的增多而線性增多。從圖２－１１［３］中也可以看出，當(dāng)／Ｖ＝１６時，其最大扇出為８，??同樣可以推算出，當(dāng)ｉＶ＝３２時，最大扇出會達(dá)到１６。這樣的扇出不僅對速度有較大??的影響，電路結(jié)構(gòu)也會變得相當(dāng)復(fù)雜，同時關(guān)鍵路徑的尺寸優(yōu)化變得非常困難，因??此在進(jìn)行位數(shù)較多的運算時不考慮這種結(jié)構(gòu)。??（１５?１４?１３?１２?１１?１０?９?８?７?６?５?４?３?２?１?〇）??＇ＨＨ?ＨＨ?ＨＨ??ｒ￣ｒ?ｒ？￣??ｒｍ￣，?ｒｍ￣??ｒｒｒｒ７￣ｒＴＴ￣??（１５：０?１４：０１３：０?１２：０?１１：０?１０：０?９：０?８：０?７：０?６：０?５：０?４：０?３：０?２：０?１：０?０：＾）??圖２－１１?１６位
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本文編號：2892191