一種結(jié)構(gòu)簡單的低壓低功耗ALU單元設(shè)計

　　在邏輯與或的功能部分，采用了兩個信號來控制（Cnt2和Cnt3）(Figure 2所示),當(dāng)全加器的和信號以及邏輯與/或功能信號產(chǎn)生后，再使用一個2選1選擇器（控制信號為Cnt1），共使用了三個控制信號實現(xiàn)了全加及邏輯與/或的功能（見Table 1），使用了兩個用傳送門實現(xiàn)的2選1選擇器串聯(lián)后，這個電路會有兩個閥值電壓的損失，不過這并不影響最終電路的正確操作，因為兩個閥值電壓的損失在3.3v的工作電壓下還是可以正確工作。

　　至于左移、右移和SWAP功能可以通過傳輸門來實現(xiàn)（見Figure 2右部分），通過不同的控制信號可以輕易的實現(xiàn)這些功能。

　　前面提到了本文中提出的電路會有兩個閥值電壓的損失，為了后續(xù)電路的正確工作我們可以加一個電平恢復(fù)電路，同時這個電路還可以加快電路的傳送速度（見Figure 2右半部分）,在此恢復(fù)電路中我們使用了一個控制信號（Cnt4）來實現(xiàn)三態(tài)門的功能以控制信號的輸出與否。加上這部分電路后輸出信號會取反，在許多處理器中信號采用的是補碼形式，而這為補碼的實現(xiàn)提供了便利。

　　3. 電路分析和仿真結(jié)果

　　一些其他的全加器設(shè)計將用來和本文的全加器比較，因為設(shè)計的目標(biāo)是降低電路的復(fù)雜性和提高電路的速度以及能量損耗的降低，所以主要關(guān)注于門數(shù)少并基于傳送門的全加器之間的比較。已有的全加器總結(jié)如下表2。

　　在0.35um工藝下仿真一些10管的全加器的DC特性，其中Vdd為3.3v，反向器的（W/L）p=1.4um/0.35um 以及(W/L)n=0.7um/0.35um（table3）。另外，此電路在1.9v的電壓下依然可以正確工作，這為進一步降低功耗提供了一個很好的途徑。

　　對整個電路進行DC分析，得到整個電路的功耗為12.12 uw，延時1.5ns,仿真結(jié)果見圖5。另外在AC方面,這個電路的工作頻率也是比較高的。

圖5 . 電路仿真結(jié)果

　　4．結(jié)論

　　本文提出了一種新的1位的ALU單元。所提議的ALU單元在DC方面，可以在很低的工作電壓下工作，功耗小且速度快；在AC方面，由于采用了CLRCL全加器可以工作在很高的頻率下。同時，比較了現(xiàn)有的一些全加器的性能，可以看到文中的CLRCL電路不僅使用的晶體管的數(shù)目較少，同時它的功耗和速度性能也是比較優(yōu)良的,極大的提高了1位ALU的性能。

　　本文創(chuàng)作者新點：

　　本文針對目前在RISC結(jié)構(gòu)的MCU/MPU等中需要使用低功耗，小面積，快速的ALU單元，提出了一種新的結(jié)構(gòu)簡單的ALU單元結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中使用的全加器是目前比較流行的10－T全加器，通過對全加器布爾邏輯的重組，使這種全加器在級連結(jié)構(gòu)中不會產(chǎn)生多閥值損失的情況，最后在電路輸出部分采用了電平恢復(fù)結(jié)構(gòu)，使電路的輸出波形很好，同時這種結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)相比有著明顯的面積，速度，功耗方面的優(yōu)勢。

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