VLSI基础-- 第六章 时序逻辑电路

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第六章 时序逻辑电路

1. 组合电路和时序电路的区别

• 组合电路：输出是当前输入的函数
• 时序电路： 输出是当前输入和之前输入（状态）的函数

2. 状态机

Moore状态机：输出仅仅与当前状态有关；

Mealy状态机： 输出同输入和当前状态均有关。

3. 双稳态结构

双稳态器件是存储器件的基本模块，双稳器件的的一种电路结构是：交叉耦合反相器 结构。

双稳态器件存在两种状态：稳定态和亚稳态。

双稳态器件一般都有两种存储机理：

• 基于正反馈（静态）
• 基于电荷存储（动态）

4. 静态存储电路

• 锁存器（Latch）是电平敏感的
  • 一般是时钟低电平时锁存数据
• 寄存器（Reister）是边沿触发的（edge-triggered）
  • 寄存器是存放二进制数据的器件，通常由Latch构成
  • 通常是边沿触发的
• 触发器（Flip-flops）是交叉耦合的门构成的任何双稳态器件
  • Latch和Register都可能包含Flip-flop结构
  • 包括单稳态、不稳态（震荡）电路

a. Latch

latch的实现方式可以是Mux构成的：

基于传输门实现的Mux的latch:

优点：

• 尺寸设计容易
• 晶体管数目多（时钟负载因而功耗大）

基于传输管Mux的Latch:

• 仅使用NMOS实现，电路简单，减少了时钟负载
• 由电压阈值损失（影响噪声容限和性能，可能引起静态功耗）

基于三态缓冲器的Latch:

b. D触发器/寄存器

• 通常是主-从结构， 由一个正电平灵敏Latch和一个负电平灵敏Latch 构成( 主从Latch 对)

• 输出状态在效果上表现为在时钟边沿处发生变化（正边沿处或负边沿处)，确保整个寄存器可能的反馈路径被切断，防止由于反馈造成的信号“竞争”问题。

时序参数：

Register的时序参数：

Latch的时序参数：

latch的hold时间实际上是半个周期多，如果数据在时钟正半个周期发生变化，输出也将变化。跟register不同的是，latch还有d-q的概念，即数据在透明期间改变到输出响应的时间。

两者的示意图也由差别：

latch的clk没有三角，有三角的代表register。

一般，两个电平灵敏的latch构成主从（Master-Slave）边沿触发寄存器：

高电平时主latch保持，Qm输出不变，Q等于时钟上升沿前的输入D值。效果相当于正沿触发。因此，在时钟上升沿时刻，如果数据D端发生改变，寄存器中仍然存的是D改变之前的值。

Register的工作方式与Verilog中非阻塞赋值的匹配

例如如下verilog代码使用非阻塞赋值语句：

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        b <=0;
        c <=0;
        d <=0;
    end
    else begin
        b <=in;
        c <=b;
        d <=c;
        end
    end

生成的电路图以及仿真波形如下：

在代码中，b,c,d信号使用非阻塞语句赋值，因为非阻塞语句的特性，在编译器中实际上这几个赋值的表达式会全部依次存入时间队列中，当当前仿真时间内所有活动事件结束后同步执行这些语句，形成了非阻塞的效果。

查看c和b的信号可以发现，在b信号发生跳变的时钟上升沿，c寄存器的主latch开始保持，而从latch的输出仍然是上升沿之前b寄存器的q端值0，因此在当前上升沿结束后，c寄存器的输出仍然是0.

因此时序逻辑中常常是在一个上升沿更新数据，下一个上升沿采样刚更新的数据。

回到正题，由传输门实现的正负电平灵敏latch也可以构成主从边沿触发寄存器：

但是这种结构的缺点在于：时钟负载大，需要8个时钟晶体管。

减少时钟负载的静态主从寄存器

--用强制写入代替Mux

通过两个交叉耦合的反相器实现数据的锁存。前提是T1以及其源驱动必须比\(I_2\)强，否则无法打断反馈。

优点：时钟晶体管数目从8->4

缺点：

• 是有比逻辑，需要强制写入。
• 存在反向传导，\(T_2\)和\(I_4\)会共同影响存储在\(I_1-I_2\)环路中的数据。

非理想时钟的影响-时钟交迭（overlap）

由于时钟的反向信号与原始时钟之间通常存在一个overlap（组合逻辑延迟），因此进入两级latch的时钟会有交叠的区域，从而导致触发器D-Q的直接通路，形成竞争（race）：

此外，节点A会同时被D和B驱动，导致不确定态。

解决办法：两相不交迭时钟

c. RS-触发器（Flip-Flop）

由交叉的NOR或NAND门构成。

时钟控制的SR触发器：

CMOS静态触发器：

动态Latch和Register

1. 比静态latch和register简单
2. 不会破坏的读信息：需要输入高阻抗的器件

缺点：

1. 漏电问题：基于在寄生电容上存储电荷，由于漏电需要周期刷新
2. 高阻抗的内部动态节点容易受噪声干扰
3. 漏电影响了低功耗技术（例如无法停止时钟节省功耗）

解决办法：增加一个弱反馈的反相器

• 会增加抗噪声能力，但会增加延时
• 除了高性能数据通路外，一般均应使寄存器成为伪静态或静态

动态传输门边沿触发寄存器

• 建立时间setup = \(T_1\) ,Clk从低到高之前，数据需要保持\(T_1\)时间长度才能保证采样的值不变。

• 保持时间hold = 0

• 延迟时间：\(T_{c-q} = I_1+T_2+I_2\)

时钟重叠的影响：

对时钟不敏感的C2MOS（时钟控制CMOS）寄存器

• 对时钟交迭不敏感，无论是0-0还是1-1交迭，输出都是保持。

• 但是，在交迭期间还是对输入D有一定的要求。当0-0交迭时，主latch可以接受D从1到0的变化，X可以从0变为1。

• C2MOS的c-q时间很短（相当于一级反相器），因此在构成寄存器链时，要防止“贯通”。
• 如果时钟的上升下降时间太慢，会存在一个时间间隔，N和P都导通，输入和输出之间会产生一条通路，一般使时钟的上升下降时间约小于C2MOS latch传播延时的5倍。

• 在高频下为了满足上述时钟的要求，应该在寄存器单元内部对clk反相，而非使用全局反相时钟。

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