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Designing Arithmetic Building Blocks for Digital Processors

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45 diapositives · 518 Views · Jan 01, 2020

Explore bit-sliced datapaths, adders, memory units, control logic, and interconnect elements in digital architectures. Learn about efficient adder designs, reducing critical path, and optimizing structures for speed and efficiency.

Designing Arithmetic Building Blocks for Digital Processors - slide 1
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  1. Arithmetic Building Blocks

  2. A Generic Digital Processor

  3. Building Blocks for Digital Architectures Arithmetic unit Bit-sliced datapath adder - ( , multiplier, shifter, comparator, etc.) Memory - RAM, ROM, Buffers, Shift registers Control - Finite state machine (PLA, random logic.) - Counters Interconnect - Switches - Arbiters - Bus

  4. Bit-Sliced Design

  5. Full-Adder

  6. The Binary Adder

  7. Express Sum and Carry as a function of P, G, D

  8. The Ripple-Carry Adder

  9. Complimentary Static CMOS Full Adder

  10. Inversion Property

  11. Minimize Critical Path by Reducing Inverting Stages

  12. The better structure: the Mirror Adder

  13. The Mirror Adder • The NMOS and PMOS chains are completely symmetrical. This guarantees identical rising and falling transitions if the NMOS and PMOS devices are properly sized. A maximum of two series transistors can be observed in the carry-generation circuitry. • When laying out the cell, the most critical issue is the minimization of the capacitance at node Co. The reduction of the diffusion capacitances is particularly important. • The capacitance at node Co is composed of four diffusion capacitances, two internal gate capacitances, and six gate capacitances in the connecting adder cell . • The transistors connected to Ci are placed closest to the output. • Only the transistors in the carry stage have to be optimized for optimal speed. All transistors in the sum stage can be minimal size.

  14. Quasi-Clocked Adder

  15. NMOS-Only Pass Transistor Logic

  16. NP-CMOS Adder

  17. NP-CMOS Adder C o1 S 1 A 1 B 1 S 0 A 0 B 0 C i0

  18. Manchester Carry Chain

  19. Sizing Manchester Carry Chain

  20. Carry-Bypass Adder

  21. Manchester-Carry Implementation

  22. Carry-Bypass Adder (cont.)

  23. Carry Ripple versus Carry Bypass

  24. Carry-Select Adder

  25. Carry Select Adder: Critical Path

  26. Linear Carry Select

  27. Square Root Carry Select

  28. Adder Delays - Comparison

  29. LookAhead - Basic Idea

  30. Look-Ahead: Topology

  31. Logarithmic Look-Ahead Adder

  32. Brent-Kung Adder

  33. The Binary Multiplication

  34. The Binary Multiplication

  35. The Array Multiplier

  36. The MxN Array Multiplier— Critical Path Critical Path 1 & 2

  37. Carry-Save Multiplier

  38. Adder Cells in Array Multiplier

  39. Multiplier Floorplan

  40. Wallace-Tree Multiplier

  41. Multipliers —Summary

  42. Design as a Trade-Off

  43. Layout Strategies for Bit-Sliced Datapaths

  44. Layout of Bit-sliced Datapaths

  45. Layout of Bit-sliced Datapaths