數(shù)字減法器電路的性能指標(biāo)

目前，針對(duì)數(shù)字電路研究的主要目標(biāo)都是為了提高電路的運(yùn)算速度、降低電路的功耗和減少電路邏輯輸出的誤差，因此延時(shí)、功耗和誤差是數(shù)字電路三個(gè)最重要的性能指標(biāo)。

運(yùn)算速度指標(biāo)——延時(shí)

數(shù)字電路的延時(shí)主要是指信號(hào)的傳輸延時(shí)，電路的延時(shí)與邏輯門的工藝設(shè)計(jì)相關(guān)，延時(shí)限制了電路的工作速度，所以對(duì)電路的延時(shí)優(yōu)化一直是很多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。全減器模塊作為最基本的電路組成部件，整個(gè)電路的延時(shí)取決于全減器模塊的延時(shí)，因此，對(duì)全減器模塊延時(shí)的優(yōu)化工作顯得尤為重要。

對(duì)于全減器來說，延時(shí)優(yōu)化主要方法是減小信號(hào)在關(guān)鍵路徑上的延時(shí)；對(duì)于串行進(jìn)位減法器電路來說，關(guān)鍵路徑就是指信號(hào)進(jìn)位位支路（也就是對(duì)電路中所有的輸入來說，信號(hào)延時(shí)時(shí)間最大時(shí)的情形），減小進(jìn)位位支路的延時(shí)時(shí)間，對(duì)于提高串行進(jìn)位減法器電路運(yùn)算速度具有重要意義。

近年來，隨著電路低功耗設(shè)計(jì)的要求，電源電壓隨之降低，而電源電壓的降低又會(huì)增大電路中信號(hào)的傳輸延時(shí)時(shí)間，從而影響電路的邏輯輸出結(jié)果。尤其是在時(shí)鐘周期固定的同步電路中，如何保證電路正確的邏輯輸出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)電路的可靠性設(shè)計(jì)和最大限度的降低功耗是當(dāng)前電路設(shè)計(jì)研究的主要課題。

能量消耗指標(biāo)——功耗

CMOS 電路中功耗由兩部分組成：動(dòng)態(tài)功耗、靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗主要是由 CMOS 電路中邏輯門工作過程中負(fù)載電容充放電時(shí)引起的功耗，主要包括翻轉(zhuǎn)功耗（翻轉(zhuǎn)指的是電路中信號(hào) 0→1 或 1→0 的變換）和短路功耗。

翻轉(zhuǎn)功耗是數(shù)字電路要完成邏輯功能計(jì)算所必須要消耗的功耗，也稱有效功耗；短路功耗是由于 CMOS 在翻轉(zhuǎn)過程中 PMOS 管和 NMOS 管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)所消耗的功耗，也稱無效功耗；靜態(tài)功耗是由于漏電電流引起的功耗。

通常靜態(tài)功耗與電路中的器件相關(guān)，在電路設(shè)計(jì)過程中，如何降低整體的電路功耗已成為當(dāng)今電路研究者與設(shè)計(jì)者十分關(guān)注的問題，特別是要考慮到如何降低電路的動(dòng)態(tài)功耗。

可靠性指標(biāo)——誤差

在同步電路中，由于時(shí)鐘周期的存在，一旦電路總的延時(shí)時(shí)間超過了時(shí)鐘周期，那么在時(shí)鐘周期內(nèi)我們采樣得到的電路輸出結(jié)果與理論上電路正確的邏輯輸出結(jié)果不同，此時(shí)電路實(shí)際上輸出的是錯(cuò)誤的結(jié)果。

因此，如何保證電路最終的輸出結(jié)果是正確的，最大限度的減小誤差也是目前電路研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。

兩位格雷碼減法器數(shù)字電路設(shè)計(jì)

兩位減法器的格雷碼(Gray code)真值表如圖13所示，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)兩位二進(jìn)制數(shù)之間的減法算術(shù)運(yùn)算。從真值表中可以得知，存在 16 種不同的邏輯運(yùn)算。

如表 4-1 所示，X2X1****和 U2U1 分別代表減數(shù)和被減數(shù)，S2S1 代表兩個(gè)兩位二進(jìn)制數(shù)之間的差值，B2代表來自高位的借位。在圖13中，減數(shù)、被減數(shù)和差值都通過使用格雷碼來表示，格雷碼可以轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼（8421 碼），即從左邊的第二位開始，在每個(gè)位和左邊的解碼值之間獲得異或操作的值作為該位的解碼值，最左邊的值保持不變。

圖13 兩位減法器操作運(yùn)算的真值表

根據(jù)兩位格雷碼減法器的真值表，列寫其布爾邏輯表達(dá)式，依據(jù)其布爾表達(dá)式，構(gòu)造相應(yīng)的數(shù)字電路原理圖，如圖14所示，有三種基本的邏輯門，即非門、與門、或門，不同的邏輯門使用不同的顏色標(biāo)記，使用紫羅蘭色標(biāo)記非門，紅色標(biāo)記與門，天藍(lán)色標(biāo)記或門，圖14中共存在 4 個(gè)非門，11 個(gè)與門，4 個(gè)或門。

圖14 兩位格雷碼減法器原理圖