Bài giảng Thiết kế logic số - Chương 4: Thiết kế các mạch số thông dụng (Phần 1) - Hoàng Văn Phúc

TS. Hoàng Văn Phúc
Bộ môn KT Xung, số, Vi xử lý
https://sites.google.com/site/phucvlsi/teaching
1/2014
Thiết kế logic số
(Digital logic design)
Chương IV: Thiết kế các mạch số thông dụng
Thời lượng: 3 tiết bài giảng
Mục đích: Cách đánh giá hiệu quả của thiết
kế, vai trò của yếu tố thuật toán trong bài
toán thiết kế số, các thuật toán cơ bản của
các mạch cộng, mạch dịch.
Nội dung: Khối cộng thấy nhớ trước. Khối
dịch không sử dụng toán tử.
Mục đích, nội dung
2
Mạch cộng nối tiếp (CRA: Carry Ripple Adder)
A
B
Cin
Sum
Cout
Đánh giá hiệu quả của sơ đồ thiết kế?
3
Định nghĩa
Đn2: Một lớp trễ (level) là độ trễ của
một cổng logic bất kỳ 2 đầu vào.
Đn1: Cổng tương đương là một cổng
logic bất kỳ 2 đầu vào.
________________________________________________
Với thiết kế ASIC trên thư viện chuẩn, người ta thường dùng
mạch NAND 2 đầu vào làm đơn vị tính cổng tương đương
4
AB
Cin
Sum
Cout
Tài nguyên: 5 x N Tốc độ (Độ trễ): 2 x N +1
N: số bit (số tầng FA)
Mạch cộng nối tiếp (CRA: Carry Ripple Adder)
5
Khối trừ
6
 A = 01010, Bù2(A) = not (A) + 1 = 10101 + 1 = 10110
 B = 00101, Bù2(B) = not (B) + 1 = 11010 + 1 = 11011
Tính A – B:
A 01010 01010
- = - = +
B 00101 11011
-------
1 00101
Loại bỏ bit nhớ: A – B = 00101 = 5.
Sơ đồ khối cộng/trừ đơn giản
7
 CLA adder: Thiết kê một mạch đặc biệt để tính trước giá
trị các bit nhớ
CLA 4-bit
8
Cộng thấy nhớ trước
(CLA: Carry look-ahead adder)
9CLA Adder – cont.
Có thể tính trước giá trị các bit nhớ
10
gi = (ai and bi) = ai.bi
– carry generation gi = 1 (ai, bi =1) - bit nhớ
sinh ra ở vị trí thứ i của chuỗi nhớ
pi = ai or bi = ai + bi
carry propogation. pi = 1 - tại vị trí thứ i sẽ cho
phép bit nhớ ở phía trước nếu có lan truyền
qua.
Carry generation & Carry propagation
Calculation carry based on P & G
c0 = g0 + Cin.P0
c1 = g1 + g0.p1 + Cin.p0.p1
= g1 + c0 .p1
c2 = g2 + g0.p1.p2 + g1.p2 + Cin.p0.p1.p2
= g2 + c1 .p2
c3 = g3+g0.p1.p2.p3+g1.p2.p3+g2.p3+ Cin.p0.p1.p2.p3
= g3 + c2 .p3
Không có sự phụ thuốc nối tiếp của các bit nhớ như CRA
Tăng tốc độ Có phải trả giá gì không???
11
Example: 4-bit CLA adder
12
n-bit Adder – Carry Look-Ahead (cont)
Problem?
 Tài nguyên phần
cứng tiêu tốn: lớn
13
14
Làm sao để dung hòa tốc độ/tài nguyên?
Có thể kết hợp
CRA và CLA?
Ok, let’s try 
it!
Kết hợp CRA và CLA
 Combining the Ripple Carry method and CLA method by 
connecting the small CLA adders
16-bit adder using 4-bit CLA components
15
16
Câu 1: Tiêu chí nào trong thiết kế mạch số tích
hơp thường được ưu tiên nhất. 
A. Tài nguyên sử dụng, và tốc độ của khối thiết kế.
B. Thuật toán thiết kế
C. Tốc độ của khối thiết kế.
D. Hiệu suất làm việc của khối thiết kế.
Trắc nghiệm
17
Trắc nghiệm
Câu 2: Ưu điểm chính của khối cộng dùng thuật
toán nối tiếp (Serial Adder)
A. Sử dụng ít tài nguyên.
B. Sử dụng ít tài nguyên và dễ thiết kế
C. Có cấu trúc thiết kế đơn giản, ít gây ra lỗi chức
năng.
D. Tổng được tính ra nhanh chóng chính xác.
18
Trắc nghiệm
Câu 3: Nhược điểm chính của khối cộng dùng CLA
A. Sử dụng nhiều tài nguyên logic.
B. Có cấu tạo phức tạp, gây khó khăn cho quá trình
thiết kế
C. Khó mô tả và khó kiểm tra
D. Không thể chia nhỏ thiết kế và cần thiết kế lại nếu
thay đổi độ rộng bit của các hạng tử đầu vào
Trắc nghiệm
Câu 4: Nguyên lý cơ bản để tăng tốc cho khối
cộng dùng thuật toán CLA
A. Tính trước các bit nhớ ở các các vị trí trọng số
cao trong khi chờ bit nhớ của các vị trí trọng số
thấp xác định. 
B. Chia chuỗi bit nhớ thành các giai đoạn và tính
toán tối đa các giá trị cần thiết độc lập trong từng
giai đoạn đó..
C. Ngắt sự lệ thuộc tự nhiên của các bit nhớ trong
chuỗi với nhau
D. Sử dụng biến đổi toán học để xây dựng sơ đồ
tính bit nhớ không lệ thuộc trực tiếp vào nhau
19