Устройство сравнения на кмдп транзисторах

 

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может быть использовано в КМДП интегральных схемах в качестве устройства логической обработки многоразрядных двоичных данных. Технический результат заключается в повышении быстродействия устройства при сравнении многоразрядных операндов. Устройство содержит k блоков сравнения, каждый из которых содержит три транзистора р-типа 6-8, тактовый транзистор n-типа 9, три инвертора 10-12 и m логических элементов, выполненных в виде одноразрядного элемента сравнения на шести транзисторах n-типа 23-28, а также содержит выходной блок 5, содержащий три транзистора р-типа 15-17, тактовый транзистор n-типа 18 и соответственно числу блоков сравнения k транзисторных звеньев, каждое из которых выполнено на трех транзисторах 19-21 n-типа. Устройство позволяет реализовать функцию полного сравнения операндов по критериям - "больше", "меньше", "равно". 2 ил.

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может быть использовано в КМДП интегральных схемах при реализации устройств логической обработки многоразрядных двоичных данных.

Известна реализация многоразрядного устройства логического сравнения на КМДП транзисторах, которое содержит логические элементы 2И-НЕ в каждом разряде и выходной блок статического типа (Патент США №5281946, G 05 B 1/03, G 06 F 7/02, НКИ 340-146.2 от 25.01.94). Недостаток устройства - ограничение быстродействия при увеличении числа разрядов, что обусловлено линейным ростом числа емкостных нагрузок на выходах логических элементов и увеличением величины нагрузок в том числе за счет пропорционального роста числа последовательно включенных логических транзисторов р-типа выходного блока.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство логического сравнения на основе парафазного каскадного логического устройства на КМДП транзисторах (Патент РФ по заявке №2002112513/09, фиг.1-2, от 13.05.2002. Решение о выдаче патента от 04.02.2003). Это устройство, принятое за прототип, содержит последовательно включенные каскады - одноразрядные блоки сравнения с использованием парафазных входных и выходных сигналов, которые работают под общим однофазным тактированием с асинхронной последовательной передачей логического сигнала через разделительные инверторы. Парафазный выходной блок, содержащий звенья из двух выходных транзистора n-типа на разряд, при этом параллельно осуществляет выборку результата сравнения.

Недостатком этого устройства является недостаточное быстродействие при большом числе разрядов сравниваемых операндов, что связано с использованием в каждом блоке (каскаде) сравнения одноразрядных логических элементов с последовательным распространением сигнала соответствующего критерию равенства от блока сравнения старшего разряда операндов к более младшему. В результате величина задержки выходного сигнала результата сравнения в наихудшем случае (на равенство) определяется двумя логическими переходами на один разряд и линейно зависит от числа разрядов N.

Технической задачей, решаемой в изобретении, является повышение быстродействия устройства при сравнении многоразрядных операндов.

Поставленная цель достигается тем, что устройство сравнения на КМДП транзисторах, содержащее k блоков сравнения и выходной блок, каждый блок сравнения содержит три транзистора р-типа, тактовый транзистор n-типа, три инвертора и первый логический элемент, выполненный на шести транзисторах n-типа, из которых соединены попарно последовательно первый и второй, третий и четвертый, пятый и второй, шестой и четвертый, стоки первого и третьего транзисторов n-типа являются соответственно первым и вторым выводами логического элемента, объединенные стоки пятого и шестого транзисторов n-типа являются третьим выводом логического элемента, истоки второго и четвертого транзисторов n-типа подключены к общему выводу логического элемента, объединенные по два затворы первого и шестого, третьего и пятого транзисторов n-типа подключены соответственно к первому и второму входам первого логического элемента, на которые подаются парафазные сигналы соответствующего разряда первого операнда, затворы второго и четвертого транзисторов n-типа подключены соответственно к третьему и четвертому входам первого логического элемента, на которые подаются парафазные сигналы одноименного разряда второго операнда, в каждом блоке сравнения первый и второй выводы первого логического элемента подключены непосредственно к входам одноименных инверторов и соответственно через первый и второй транзисторы р-типа соединены с шиной питания, а третий транзистор р-типа включен между шиной питания и входом третьего инвертора, общий вывод первого логического элемента через тактовый транзистор n-типа соединен с общей шиной, выходы первого, второго и третьего инверторов являются одноименными выходами блока сравнения, затворы транзисторов р-типа и тактового транзистора n-типа в каждом блоке сравнения объединены, а в первом блоке сравнения подключены дополнительно к тактовой шине, выходной блок содержит первый и второй транзисторы р-типа и тактовый транзистор n-типа, затворы которых подключены к тактовой шине, выходной блок содержит k транзисторных звеньев, каждое из которых включает в себя первый и второй выходные транзисторы n-типа, затворы которых подключены соответственно к первому и второму выходам одноименного с транзисторным звеном блока сравнения, а стоки которых подключены соответственно к первому и второму выходам устройства, которые через одноименные транзисторы р-типа выходного блока соединены с шиной питания, истоки первого и второго выходных транзисторов n-типа в каждом транзисторном звене объединены, а в первом транзисторном звене через тактовый транзистор n-типа выходного блока дополнительно соединены с шиной земли, и каждый блок сравнения содержит m идентичных логических элементов, причем в каждом блоке сравнения первые выводы всех логических элементов соединены между собой, вторые выводы всех логических элементов также соединены между собой, а третий вывод каждого предыдущего логического элемента соединен с общим выводом последующего логического элемента, третий вывод последнего из m логических элементов в каждом блоке сравнения соединен с входом третьего инвертора, выходной блок содержит третий транзистор р-типа, который включен между шиной питания и третьим выходом устройства и затвор которого соединен с тактовой шиной, а каждое транзисторное звено содержит третий выходной транзистор n-типа, исток которого соединен с истоками первого и второго выходных транзисторов n-типа, а затвор подключен к третьему выходу одноименного с данным транзисторным звеном блока сравнения, сток третьего выходного транзистора n-типа каждого предыдущего транзисторного звена соединен с истоками выходных транзисторов n-типа последующего транзисторного звена, сток третьего выходного транзистора n-типа последнего из k транзисторных звеньев соединен с третьим выходом устройства.

Существенными отличительными признаками в указанной совокупности признаков являются наличие в каждом блоке сравнения нескольких - (m) одноразрядных логических элементов с соответствующими связями, введение в выходной блок третьего транзистора р-типа и в каждое транзисторное звено дополнительно третьего выходного транзистора n-типа, затвор которого соединен с третьим выходом соответствующего блока сравнения, и новые связи выходных транзисторов n-типа транзисторных звеньев в выходном блоке.

Наличие в предлагаемом устройстве перечисленных выше существенных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - повышение быстродействия устройства при сравнении многоразрядных операндов за счет уменьшения числа логических переходов и следовательно числа временных задержек путем одновременного сравнения нескольких одноименных разрядов операндов в каждом из k блоков сравнения и параллельной передачи результатов сравнения по критерию равенства от каждого блока сравнения в выходной блок.

Действительно, использование в блоке сравнения m логических элементов, каждый из которых реализует функцию одноразрядного сравнения, не ведет к соответствующему росту числа логических переходов, а задержка в блоке сравнения пропорциональна значению m. В случае наибольшей задержки - при равенстве группы из m разрядов двух операндов каждый из k блоков сравнения одновременно формирует на третьем выходе сигнал, который открывает третий выходной транзистор n-типа соответствующего транзисторного звена выходного блока. Последовательное соединение указанных транзисторов, число которых равно k, также не связано с дополнительными логическими переходами, а задержка в выходном блоке пропорциональна значению k. Таким образом, функция равенства реализуется посредством трех логических переходов (один из них - инвертор) с задержкой, пропорциональной (m+k) при числе разрядов сравниваемых операндов N=m·k.

Минимальная величина задержки в устройстве в случае транзисторов равных размеров имеет место при k=2m, поскольку в каждом из m логических элементов цепь содержит два транзистора на разряд, а в каждом из k транзисторных звеньев выходного блока - один. В результате суммарная задержка в заявленном устройстве в зависимости от числа разрядов в наихудшем случае растет пропорционально , в то время как в известном устройстве задержка пропорциональна 2N (по одной задержке на каскад и на инвертор). Для 8-разрядного устройства m=2, а k=4, для 32-разрядного m=4, а k=8.

На фиг.1 приведена принципиальная схема заявляемого устройства, представленного в виде 8 разрядного устройства сравнения при k=4. На фиг.2 приведена принципиальная схема двух логических элементов (при m=2).

Устройство сравнения на КМДП транзисторах (фиг.1) содержит четыре блока сравнения 1-4 и выходной блок 5. Каждый блок сравнения содержит три транзистора 6-8 р-типа, тактовый транзистор 9 n-типа, три инвертора 10-12, а также два идентичных логических элемента 13-14 соответственно блоку сравнения на два разряда. Выходной блок 5 содержит три транзистора 15-17 р-типа, тактовый транзистор 18 n-типа, а также четыре транзисторных звена, каждое из которых состоит из трех выходных транзисторов 19-21 n-типа.

Затворы транзисторов 6-8 р-типа и тактового транзистора 9 n-типа блоков сравнения 1-4, а также затворы транзисторов 15-17 р-типа и тактового транзистора 18 n-типа выходного блока 5 подключены к тактовой шине 22.

Каждый из логических элементов 13-14 (фиг.2) выполнен на шести транзисторах 23-28 n-типа, из которых соединены попарно последовательно первый 23 и второй 24, третий 25 и четвертый 26, пятый 27 и второй 24, шестой 28 и четвертый 26. Стоки первого 23 и третьего 25 транзисторов n-типа являются соответственно первым 29 и вторым 30 выводами логического элемента, объединенные стоки пятого 27 и шестого 28 транзисторов n-типа являются третьим выводом 31 логического элемента, истоки второго 24 и четвертого 26 транзисторов n-типа подключены к общему выводу 32 логического элемента.

Объединенные по два затворы первого 23 и шестого 28, третьего 25 и пятого 27 транзисторов n-типа подключены соответственно к первому 33 и второму 34 входам логического элемента, на которые подаются парафазные сигналы соответствующего разряда первого операнда, затворы второго 24 и четвертого 26 транзисторов n-типа типа подключены соответственно к третьему 35 и четвертому 36 входам логического элемента, на которые подаются парафазные сигналы одноименного разряда второго операнда.

В каждом блоке сравнения 1-4 первый транзистор 6 р-типа включен между шиной питания 37 и входом первого инвертора 10, к которому подключены также первые выводы 29 логических элементов 13 и 14, а выход которого является первым выходом 38 соответствующего блока сравнения. Второй транзистор 7 р-типа включен между шиной питания 37 и входом второго инвертора 11, к которому подключены также вторые выводы 30 логических элементов 13 и 14, а выход которого является вторым выходом 39 соответствующего блока сравнения. Третий транзистор 8 р-типа включен между шиной питания 37 и входом третьего инвертора 12, выход которого является третьим выходом 40 соответствующего блока сравнения. Тактовый транзистор 9 n-типа включен между общим выводом 32 первого логического элемента 13 и шиной земли 41. Третий вывод 31 первого логического элемента 13 подключен к общему выводу 32 последующего - второго логического элемента 14, третий вывод которого соединен с входом третьего инвертора 12 того же блока сравнения.

В выходном блоке 5 первый транзистор 15 р-типа включен между шиной питания 37 и первым выходом 42 устройства, к которому подключены также стоки первых выходных транзисторов 19 n-типа всех 4 транзисторных звеньев. Второй транзистор 16 р-типа включен между шиной питания 37 и вторым выходом 43 устройства, к которому подключены также стоки вторых выходных транзисторов 20 n-типа всех транзисторных звеньев. Тактовый транзистор 18 n-типа включен между объединенными истоками выходных транзисторов 19-21 n-типа первого транзисторного звена и шиной земли 41. Сток третьего выходного транзистора 21 n-типа каждого предыдущего транзисторного звена соединен с истоками выходных транзисторов 19-21 n-типа последующего транзисторного звена, а сток третьего выходного транзистора 21 n-типа последнего четвертого транзисторного звена подключен непосредственно к третьему выходу 44 устройства и через третий транзистор 17 р-типа соединен с шиной питания 37.

Затворы первого 19, второго 20 и третьего 21 выходных транзисторов n-типа транзисторных звеньев подключены соответственно к первому 38, второму 39 и третьему 40 выходам одноименного с транзисторным звеном блока сравнения.

Инверторы 10-12 включены между шиной питания 37 и шиной земли 41.

Устройство работает следующим образом. При сравнении двух 8-разрядных операндов (двоичных чисел) А=X₈X₇...X₂X₁ и В=У₈У₇...У₂У₁ на первый 33 и второй 34 входы первого логического элемента 13 первого блока сравнения 1 подаются парафазные сигналы старшего 8-го разряда первого операнда А, соответствующие X₈, а на третий 35 и четвертый 36 входы того же логического элемента - парафазные сигналы старшего 8-го разряда второго операнда В, соответствующие У₈. На те же входы 33-35 второго логического элемента 14 первого блока сравнения 1 подаются парафазные сигналы более младшего 7-го разряда операндов А и В, соответствующие Х₇ и У₇. На аналогичные входы 33-36 первого 13 и второго 14 логических элементов второго блока сравнения 2 подаются парафазные сигналы, соответствующие 6 и 5 разрядам операндов (Х₆-У₆ и Х₅-У₅). На входы 33-36 логических элементов третьего блока сравнения 3 подаются парафазные сигналы, соответствующие 4 и 3 разрядам операндов (Х₄-У₄ и Х₃-Y₃). На входы 33-34 второго 14 логического элемента последнего четвертого блока сравнения 4 подаются парафазные сигналы, соответствующие младшему 1 разряду первого операнда (X₁), а на входы 35-36 - парафазные сигналы, соответствующие младшему 1 разряду второго операнда (Y₁). Причем первый 33 и третий 35 входы логических элементов соответствуют прямому значению двоичного разряда, а второй 34 и четвертый 36 входы -логически дополняющему значению того же разряда. Двоичному значению логической 1 соответствует высокий уровень напряжения шины питания, а значению логического 0 - низкий уровень напряжения шины земли. Открытому или замкнутому состоянию транзистора n-типа соответствует сигнал логической 1, поданный на затвор транзистора.

В исходном состоянии - на первом полутакте, при нулевом сигнале на тактовой шине 22 все тактовые транзисторы 9 и 18 n-типа закрыты, а транзисторы 6-8 и 15-17 р-типа блоков сравнения 1-4 и выходного блока 5 открыты. От шины питания 37 через указанные транзисторы р-типа происходит процесс предзаряда узловых емкостей, связанных с входами первого, второго и третьего инверторов 10-12 блоков сравнения 1-4, и емкостей нагрузки, связанных с выходами 42-44 устройства до уровня логической 1. При этом на выходах соответствующих инверторов и выходах 38-40 блоков сравнения 1-4 поддерживаются состояния логического 0. Поэтому выходные транзисторы 19-21 n-типа всех транзисторных звеньев выходного блока 5 закрыты, а на выходах 42-44 устройства - сигналы логической 1. На первом полутакте на входах 33-36 логических элементов 13-14 всех блоков сравнения 1-4 устанавливаются соответствующие операндам парафазные сигналы.

На втором полутакте после подачи положительного сигнала на тактовую шину 22 тактовые транзисторы 9 и 18 n-типа всех блоков открываются, а транзисторы р-типа закрываются.

Каждый логический элемент реализует функцию полного одноразрядного логического сравнения. Причем, когда Х>У в открытом состоянии находятся первый 23 и второй 24 транзисторы n-типа каждого логического элемента, и узловая емкость, связанная с входом первого инвертора 10 через указанную цепь и тактовый транзистор 9, может разряжаться до уровня логического 0. На выходе первого инвертора 10 и соответственно на первом выходе 38 блока сравнения при этом формируется сигнал логической 1. Когда Х<У, в открытом состоянии находятся третий 25 и четвертый 26 транзисторы n-типа логического элемента, и узловая емкость, связанная с входом второго инвертора 11, может разряжаться до уровня логического 0. При этом на втором выходе 39 блока сравнения формируется сигнал логической 1. В случае равенства Х=У замыкается цепь между третьим выходом 31 и общим выводом 32 логического элемента, поскольку открытыми являются либо пятый 27 и второй 24 транзисторы n-типа логического блока (Х=У=0), либо шестой 28 и четвертый 26 транзисторы n-типа (Х=У=1). При этом на третьем выходе 40 блока сравнения формируется сигнал логической 1.

Если первая или вторая логические ситуации характерны уже для старшего разряда операндов и реализуются соответственно в первом логическом элементе 13 первого блока сравнения 1 (X₈>У₈ или Х₈<У), то независимо от состояний других логических элементов открывается первый 19 или второй 20 выходные транзисторы n-типа первого транзисторного звена выходного блока 5, и емкость нагрузки, связанная с первым 42, или со вторым 43 выходами устройства, разряжается через указанные транзисторы и тактовый транзистор n-типа 18 выходного блока 5 до уровня логического 0. Таким образом реализуются функции А>В и А<В.

8=У₈ состояние выходов устройства зависит прежде всего от сигналов, поданных на входы 33-36 второго логического элемента 14 первого блока сравнения 1, соответствующих переменным Х₇-У₇. При Х₇>У₇ или Х₇<У также разряжаются узловые емкости, связанные с входами первого 10 или второго 11 инверторов первого блока сравнения 1, поскольку цепь между третьим выходом 31 и общим выводом 32 первого логического элемента 13 логического элемента первого блока сравнения 1 замкнута. Первый 19 или второй 20 выходные транзисторы n-типа первого транзисторного звена выходного блока 5 открыты, и емкость нагрузки, связанная с первым 42, или со вторым 43 выходами устройства, также разряжается до уровня логического 0. Таким образом реализуются функции А>В и А<В по значениям переменных, соответствующих 7 разряду операндов.

При равенстве переменных, соответствующих старшим 8 и 7 разрядам операндов А и В (Х₈=У₈=Х₇=У₇), первый 38 и второй 39 выходы первого блока сравнения 1 сохраняют состояние логического 0, первый 19 и второй 20 выходные транзисторы n-типа первого транзисторного звена выходного блока 5 закрыты, а на третьем выходе 40 первого блока сравнения 1 формируется сигнал логической 1 и третий выходной транзистор 21 n-типа первого транзисторного звена открыт, поскольку узловая емкость, связанная с входом третьего инвертора 12 первого блока сравнения 1 разряжается через транзисторные цепи, соответствующие реализации функции равенства первого 13 и второго 14 логических элементов первого блока сравнения. Открытый третий выходной транзистор 21 n-типа первого транзисторного звена выходного блока 5 совместно с тактовым транзистором 18 n-типа создают проводящую цепь для функционирования выходных транзисторов 19-21 n-типа второго транзисторного звена выходного блока 5, затворы которых подключены к выходам второго блока сравнения 2, на входы 33-36 логических элементов 13-14 которого подаются парафазные сигналы, соответствующие 6 и 5 разрядам операндов А и В. Формирование сигналов на выходах второго блока сравнения 2 по переменным, соответствующим 6 и 5 разрядам (Х₆-У₆, Х₅-У₅), происходит также, как в первом блоке сравнения 1, а формирование сигналов сравнения на выходах устройства происходит при включении одного из выходных транзисторов 19-21 n-типа второго транзисторного звена выходного блока 5. Аналогично происходит взаимодействие логических элементов 13 и 14 третьего 3 и четвертого 4 блоков сравнения соответственно с выходными транзисторами 19-21 n-типа третьего 3 и четвертого 4 транзисторных звеньев выходного блока 5.

В случае логического равенства операндов А и В первые и вторые выходные транзисторы 19-20 n-типа всех 4 транзисторных звеньев выходного блока 5 закрыты, а третьи выходные транзисторы 21 n-типа всех 4 транзисторных звеньев открыты. На третьем выходе 44 устройства при этом формируется сигнал логического 0.

Устройство позволяет реализовать функцию полного сравнения операндов (по критериям - "больше", "меньше", "равно"). Подключение в качестве нагрузки к первому 42 и третьему 44 выходам устройства логического элемента 2И-НЕ позволяет получить значение функции сравнения по критерию "больше или равно" - "меньше", а подключение в качестве нагрузки к второму 43 и третьему 44 выходам устройства логического элемента 2И-НЕ позволяет получить значение функции сравнения по критерию "меньше или равно" - "больше". Подключение к выходам 42-44 устройства логического элемента 3И-НЕ позволяет сформировать асинхронный сигнал завершения операции сравнения, который может быть использован для ограничения длительности такта, благодаря чему повышается быстродействие устройства на системном уровне.

Формула изобретения

Устройство сравнения на КМДП транзисторах, содержащее k блоков сравнения и выходной блок, каждый блок сравнения содержит три транзистора р-типа, тактовый транзистор n-типа, три инвертора и первый логический элемент, выполненный на шести транзисторах n-типа, из которых соединены попарно последовательно первый и второй, третий и четвертый, пятый и второй, шестой и четвертый, стоки первого и третьего транзисторов n-типа являются соответственно первым и вторым выводами логического элемента, объединенные стоки пятого и шестого транзисторов n-типа являются третьим выводом логического элемента, истоки второго и четвертого транзисторов n-типа подключены к общему выводу логического элемента, объединенные по два затворы первого и шестого, третьего и пятого транзисторов n-типа подключены соответственно к первому и второму входам первого логического элемента, на которые подаются парафазные сигналы соответствующего разряда первого операнда, затворы второго и четвертого транзисторов n-типа подключены соответственно к третьему и четвертому входам первого логического элемента, на которые подаются парафазные сигналы одноименного разряда второго операнда, в каждом блоке сравнения первый и второй выводы первого логического элемента подключены непосредственно к входам одноименных инверторов и соответственно через первый и второй транзисторы р-типа соединены с шиной питания, а третий транзистор р-типа включен между шиной питания и входом третьего инвертора, общий вывод первого логического элемента через тактовый транзистор n-типа соединен с общей шиной, выходы первого, второго и третьего инверторов являются одноименными выходами блока сравнения, затворы транзисторов р-типа и тактового транзистора n-типа в каждом блоке сравнения объединены, а в первом блоке сравнения подключены дополнительно к тактовой шине, выходной блок содержит первый и второй транзисторы р-типа и тактовый транзистор n-типа, затворы которых подключены к тактовой шине, выходной блок содержит k транзисторных звеньев, каждое из которых включает в себя первый и второй выходные транзисторы n-типа, затворы которых подключены соответственно к первому и второму выходам одноименного с транзисторным звеном блока сравнения, а стоки которых подключены соответственно к первому и второму выходам устройства, которые через одноименные транзисторы р-типа выходного блока соединены с шиной питания, истоки первого и второго выходных транзисторов n-типа в каждом транзисторном звене объединены, а в первом транзисторном звене через тактовый транзистор n-типа выходного блока дополнительно соединены с шиной земли, отличающийся тем, что каждый блок сравнения содержит m идентичных логических элементов, причем в каждом блоке сравнения первые выводы всех логических элементов соединены между собой, вторые выводы всех логических элементов также соединены между собой, а третий вывод каждого предыдущего логического элемента соединен с общим выводом последующего логического элемента, третий вывод последнего из m логических элементов в каждом блоке сравнения соединен с входом третьего инвертора, выходной блок содержит третий транзистор р-типа, который включен между шиной питания и третьим выходом устройства и затвор которого соединен с тактовой шиной, а каждое транзисторное звено содержит третий выходной транзистор n-типа, исток которого соединен с истоками первого и второго выходных транзисторов n-типа, а затвор подключен к третьему выходу одноименного с данным транзисторным звеном блока сравнения, сток третьего выходного транзистора n-типа каждого предыдущего транзисторного звена соединен с истоками выходных транзисторов n-типа последующего транзисторного звена, сток третьего выходного транзистора n-типа последнего из k транзисторных звеньев соединен с третьим выходом устройства.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2