SOC基础教程3 组合逻辑(3学时)
数字电路基础教程
A
F ABC
B C
&F
（1-24）
或非：条件
A、B、C任一 具备，则F 不 发生。
A
F ABC B
C
异或：条件
A、B有一个具 备，另一个不 具备则F 发生。
F AB AB AB
A
B C
同或：条件
A、B相同，则 F 发生。
F AB A B A
B
A B
0010
0011 0100 0101 0110 0111 1000
1001
1010 1011 1100 1101 1110 1111
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（1-17）
§1.2 基本逻辑关系
基本逻辑关系：与 ( and )、或 (or ) 非 ( not )。
• 信号放大及运算 (信号放大、功率放大） • 信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波） • 信号发生（正弦究的问题
基本电路元件 基本数字电路
• 逻辑门电路 • 触发器
• 组合逻辑电路 • 时序电路（寄存器、计数器、脉冲发生器、
soc试题库
1.目前，集成电路产业链主要包括设计、制造、封装和测试。
2.一个完整的SoC设计包括系统结构设计，软件结构设计和硬件设计。
3.SOC按用途可分为专用SOC芯片类型和通用SOC芯片类型。
4.SOC中常用处理器的可分为通用处理器、数字信号处理器、可配置处理器。
5.SOC中典型的存储器包括SRAM 、SDRAM、DDRAM、ROM、和flash 。
6.目前的ESL工具通常采用工业标准语言进行建模，如C/C++、system c 、systemVerilog等。
7.SOC中常用的总线主要包括AMBA总线、AVALON总线、CoreConnect总线、和Wishbone总线。
8.总线设计需要考虑的因素主要包括总线宽度、时钟频率、仲裁机制、传输类型。
9.IP核依设计流程不同，可分为：软核、固核和硬核。
10.SOC的英语全称是system on chip 。
11.目前的集成电路设计理念中IP 是构成SOC的基本单元。
12.当前的SOC的设计正朝着速度快、容量大、体积小、质量轻、功耗低的方向发展。
13.SoC的设计趋势正从RTL级向电子系统级（ESL，Electronic System Level）转移。
14.ESL设计分成可分成三步，其包括：功能设计、基于应用的架构设计、基于平台的架构设计。
15.验证方法可以分为动态验证、静态验证。
16.常用的可测性设计包括：内部扫描测试设计、边界扫描测、自动测试矢量生成、存储器内建自测试。
17.EDA布局布线流程包括：布局规划、布局、器件放置、时钟树综合、布线。
18.世界IC产业为适应技术的发展和市场的要求，其产业结构经历了3次重大变革分别是：以生产为导向的初级阶段、FOUNDRY与FABLESS设计公司的崛起阶段、“四大分离”的IC产业阶段。
19.SOC的系统架构设计的过程可以分为3个阶段分别是：功能设计阶段、应用驱动的系统架构设计阶段、平台导向的系统架构设计阶段。
20.目前市场上主要的两种flash分别是：norfalsh、 nandflash。
中国科学技术大学考研考试参考书目
统考
302
数学二
统考
统考
303
数学三
统考
统考
334
新闻与传播专业
综合能力
新闻采编与实务，大众传播及其应用。
《新闻学概论》(第4版)，李良荣著，
复旦大学出版社，2011。
《新闻采访与写作》(修订版)，丁柏
铨主编，高等教育出版社，2009。
338
生物化学
同“619生物化学与分子生物学”
同“619生物化学与分子生物学”
大学出版社2011年版。
615
马克思主义哲
学原理
唯物论、辩证论、认识论、唯物史观。
《辩证唯物主义和历史唯物主义原理》
（第五版），李秀林，人大出版社2004年版。
《马克思主义基本原理概论》，高等教育出
版社。
616
媒介文化
主要包括媒介在文化生产和再生产中的地位；一般
社会理论与一系列有关媒介和信息的传播理论之间
中国科学技术大学考研考试参考书目
2014官方版
科目
代码
科目名称
覆盖范围
参考书目
101
思想政治理论
统考
统考
199
管理类联考
综合能力
统考
统考
201
英语一
统考
统考
204
英语二
统考
统考
211
翻译硕士英语
主要考查大学本科所应掌握的语言知识和技能，内容
主要包括词汇、阅读理解、写作等。总分100分。
无
301
数学一
考查考生灵活运用这些基础知识进行现象的观察
与分析、问题的分析和解决能力，要求考生理解
高分子结构控制和聚合速率控制的基本原理
soc（系统级晶片）详细资料大全
soc（系统级晶片）详细资料大全SoC的定义多种多样，由于其内涵丰富、套用范围广，很难给出准确定义。
一般说来，SoC称为系统级晶片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的积体电路，其中包含完整系统并有嵌入软体的全部内容。
同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬体划分，并完成设计的整个过程。
基本介绍•中文名：系统级晶片•外文名：System on Chip•缩写：SoC•别称：民航SOC英文解析,片上系统,综述,功能,技术发展,技术特点,优势,存在问题,核心技术,设计思想,基本结构,设计基础,设计过程,设计方法学,套用动态, 英文解析SOC，或者SoC，是一个缩写，包括的意思有：1）SoC：System on Chip的缩写，称为晶片级系统，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的积体电路，其中包含完整系统并有嵌入软体的全部内容。
2） SOC： Security Operations Center的缩写，属于信息安全领域的安全运行中心。
3）民航SOC：System Operations Center的缩写，指民航领域的指挥控制系统。
4)一个是Service-Oriented Computing，“面向服务的计算” 5）SOC(Signal Operation Control) 中文名为信号操作控制器，它不是创造概念的发明，而是针对工业自动化现状提出的一种融合性产品。
它采用的技术是正在工业现场大量使用的成熟技术，但又不是对现有技术的简单堆砌，是对众多实用技术进行封装、接口、集成，形成全新的一体化的控制器，可由一个控制器就可以完成作业，称为SOC。
6)SOC(start-of-conversion )，启动转换。
7)short-open calibration 短开路校准。
片上系统System on Chip，简称Soc，也即片上系统。
从狭义角度讲，它是信息系统核心的晶片集成，是将系统关键部件集成在一块晶片上;从广义角度讲，SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。
SoC架构
精选ppt课件
24
处理器位宽
• 当前高性能嵌入式系统SoC的处理器多为32位处理器。所谓32位处理 器，即处理器内部的寄存器（包括地址寄存器与数据寄存器）位宽最 大为32位。低性能的嵌入式系统SoC一般多采用16位微控制器（ micro-controllers），然而，随着工作负载的增加，此类系统逐渐开 始使用32位处理器。可以预见，在不久的将来，伴随高性能及超大存 储空间的需求，64位处理器将逐渐成为主流。
• 多个不同任务同时 操作，使用不同资 源
• 潜在加速比=流水 线级数
• 流水线的速率受限 于最慢的流水段
• 流水段的执行时间 如果不均衡，那么 加速比就会降低
• 开始填充流水线的 时间和最后排放流 水线的时间降低加 速比
• 相关将导致流水线
暂停
27
CPU基本概念
• CISC与RISC • 流水线技术 • 分支预测技术 • 乱序执行技术 • 标量与超标量处理器 • SIMD、MIMD和向量处理器 • VLIW处理器
DDR2 NAND
精选ppt课件
12
SEP0718结构图
LCDC
I2S
HDMI PHY
AUDIO CODEC
GPS CTRL
UART (4)
I2S
BUS5 - APB32
AUDIO
SPI
CODEC
(3)
I2C
BUS3 - AHB32
DOWN SIZER
DMAC2
GPU
PHY
USB OTG
USB DMA
精选ppt课件
28
组合逻辑电路技能训练
组合逻辑电路技能训练训练一用集成逻辑门设计组合逻辑电路一、训练目的1、学习查阅手册，根据设计要求选用集成芯片。
2、熟悉用集成逻辑门设计组合逻辑电路的方法和调试方法。
二、训练内容1、3 个阀门中必须有两个或两个以上开通时才算工作正常，否则不发生正常信号。
试设计一个能发出正常信号的逻辑电路。
2、3个工厂由甲、乙两个变电站供电。
如 1 个工厂用电，则由甲站供电；如两个工厂用电，则由乙站供电；如3 个工厂同时用电，则由甲、乙两个站供点。
试设计一个供电控制电路。
三、预习要求1、用最少的门电路实现要求的逻辑功能。
2、写出设计过程，画出逻辑图，自拟测试调整方法。
3、根据数字集成电路手册选择合适的逻辑门电路。
并画出安装接线图/四、训练要求1、测试、记录电路的逻辑功能，并列出真值表，判断设计是否正确。
2、自行分析、检测和排除训练中出现的故障。
训练二用译码器实现多种逻辑功能一、训练目的1、掌握译码器的功能测试方法。
2、熟悉显示译码器的使用。
3、熟悉译码器的应用。
二、训练内容1、测试显示译码器的逻辑功能，观察数码显示器的显示情况。
2、用4 线—10线译码器构成10 路输出的数据分配器。
3、用3线一8线译码器和与非门实现逻辑函数Y=Aeq \o\ac( O,+)+B eq \o\ac( O,+)+C。
4、用3线—8线译码器和与非门组成一个 1 位二进制全加器。
三、预习要求1、在上述4 个训练内容中，自选其中3 个进行预习。
画出安装接线图。
2、写出设计过程，根据数字集成电路手册选择集成译码器和门电路，3、自拟测试调整步骤。
四、训练要求1、测试记录电路的逻辑功能。
并列出真值表判断设计是否正确。
2、自行分析、检测和排除训练中出现的故障。
3、总结本技能训练的收获、体会。
训练三用数据选择器实现多种逻辑功能一、训练目的1、掌握数据选择器的功能测试方法。
2、熟悉数据选择器的应用。
二、训练内容1、测试8选1数据选择器的逻辑功能。
2、用8 选1 数据选择器实现三输入多数表决电路。
清华大学计算机系本科生全部课程详细介绍
本科生课程介绍课程名称中文英文讲课对象适用专业课程简介Introduct ion 讲课教师高工课程名称中文英文讲课对象适用专业课程简介全校选修+计辅本课程是计算机科学与技术系为全校本科生开设的一门重要的计算机专业基础课，目的是培养学生的软件力。
本课程以软件生命周期的主要活动为主线，从软件及软件工程的历史和发展、软件开发过程、需求分析、软件维护、软件项目管理、标准及规范等方面全面介绍软件工程的基本理论、方法、技术和工具。
使用教材Software Engineering Ian Summerville参考书Software Engineering: A Practitioner’s Approach, Roger S. PressmanSoftware Engineering: Theory and Practice, Shari, Lawrence Pfleeger徐玉华（1）承担全校计算机辅助设计技术基础课教学课号： 00240033 学分: 3 课程属性：全校任选 开课学期: 秋季软件工程书名作者This course focuses on the basic concepts,principles,algorithms and applicationsdesign(CAD),it mainly consists of the following topics:software and hardware system of Ctransformations,line clipping,raster display of 2D graphics,curves and surfaces,soldimensional transformations,three-dimensional viewing,visible-surface determination,models,and introductions to AutoCAD,3DMAX 5.0and OpenGL.It is an ideal choice for slearn the rudiments of this dynamic and exciting CAD technology.姓 名职称 主要教学和科研领域孙延奎副教授主要教学领域：（1）承担全校计算机辅助设计技术基础课教学；（2）析及其应用课教学；主要研究领域：小波分析及其应用，科学计算可视化，计算机图形学，。
数字逻辑与计算机组成 第3章 组合逻辑电路
硬件资源：7个4输入与门、1个7输入或门
10
1.4 组合逻辑电路设计
利用布尔代数化简, 以减少逻辑门数和输入端数 X·Y+X·Y’=X
F = SN3N2N1N0(1,2,3,5,7,11,13) =N3’N0+N3’ N2’ N1 N0’+N3 N2’ N1 N0+N3 N2 N1’ N0
非法值 • 信号值不能被有效识别为高电平或低电平，处于不确定状态。 例如：下图中的信号X
不管A是0还是1，F结点都会同时 被高电平和低电平驱动，可能导 致在F结点处之间有较大电流流动 ，使电路发热而被损坏
16
1.5 无关项、非法值和高阻态
例：设计一个检测电路，当NBCD（8421）码数值大于5时，输出为1
最简输出表达式
函数转换：独立逻辑门、中间组件、可编程器件
画出逻辑电路图 逻辑器件的标准符号，输入、输出信号、器件标识
评价电路
电路分析：功能、缺陷、电气特性等
9
1.4 组合逻辑电路设计
例1：素数检测器的设计
列出真值表
• 4-bit input, N3N2N1N0
写出最小项表达式 F = SN3N2N1N0(1,2,3,5,7,11,13)
输出变量：故障信号F 正常工作为0，发生故障为1
故障状态 真 值 表 RY G F
0 0 01 0 0 10 0 1 00 0 1 11 1 0 00 1 0 11 1 1 01 1 1 11
13
1.4 组合逻辑电路设计
逻辑抽象结果
真值表
RY G F
000 1 001 0 010 0 011 1 100 0 101 1 110 1 111 1
每个输入端和输出端只有高电平、
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延时和输入方式有关
18
仿真结果
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 -0.5 100 200 300 400
A=B=1→0 A=1 →0, B=1 A=1, B=1→0
Input Data Pattern A=B=0→1 A=1, B=0→1 A= 0→1, B=1 A=B=1→0 A=1, B=1→0 A= 1→0, B=1
如何提高静态CMOS反相器的性能 如何提高静态CMOS反相器的性能 CMOS
–降低电容 降低电容
包括寄生电容和负载电容
–降低等效导通电阻 降低等效导通电阻
增加晶体管尺寸 需小心自载效应
–一定范围内增加VDD 一定范围内增加V 一定范围内增加
3
Review(3) Review(
反相器的功耗分布
8
举例:NAND 举例:NAND
9
举例:NOR 举例:NOR
10
构建CMOS组合逻辑 构建CMOS组合逻辑 CMOS
反向输出
–out = xx & xxx | xxxx
下拉网络(NMOS)和上拉网络(PMOS) 下拉网络(NMOS)和上拉网络(PMOS) (NMOS)和上拉网络
–以输出为分界线呈对称互补关系 –晶体管数目相同,逻辑关系相反
22
延时与扇出
tpNAND2 tpINV tp (psec psec)
tpNOR2
All gates have the same drive current. Slope is a function of "driving strength"
2
4
6
8
10
12
14
16
eff. fan-out
23
快速逻辑设计方法(1) 快速逻辑设计方法(1)
逐级加大晶体管尺寸
–如果扇出为主要负载 –M1>M2>M3>….>MN –降低起主要作用的电阻 –电容的增加保持一定范围 –可提高性能20%以上
缺点:在实际的版图中不那么简 单,常常由于设计规则方面的考 虑迫使设计者不得不将晶体管距 离拉开,从而使内部电容增加. 这有可能抵消掉调整尺寸所得到 的所有收益! InN
17
Req Rp B Rp A CL Cint
Rp Rp
输入模式对延时的影响
输出由低变高
Rp A Rn B Rn A Cint B CL Rp
–一个输入变低
delay = 0.69 Rp CL
–两个输入都变低
delay = 0.69 (Rp/2) CL
输出由高变低
–两个输入都变高
delay = 0.69 (2Rn ) CL (2
13
问题
为什么用NMOS做PDN, PMOS做PUN?
VDD → 0
D
VDD → |VTp| VGS
S
VDD
S
CL
CL
D
NMOS管产生"强零"而PMOS器件产生"强1" 输出电容最初被充电至VDD.在放电时,一个NMOS器件将输出一直下拉至 GND,而一个PMOS只能把输出拉低到VTp为止,此时PMOS关断并停止提供 放电电流.因此NMOS管适于用在PDN中.
组合逻辑
1
Review(1) Review(
静态CMOS反相器 静态CMOS反相器 CMOS
–噪声容限大 噪声容限大 –无比逻辑,逻辑电平和器件尺寸无关 无比逻辑, 无比逻辑 –低输出阻抗 低输出阻抗 –输入电阻极高 输入电阻极高 –几乎没有漏电流 几乎没有漏电流
2
Review( Review(2)
均衡信号路径减少毛刺
对毛刺敏感的电路
消除毛刺的电路
使信号路径长度匹配可以减少毛刺 所标注的数字表示信号到达的时间
36
有比逻辑电路(P192) 有比逻辑电路(P192)
简单的负 载器件
伪NMOS门 门
有比逻辑试图减少一个给定逻辑功能所需要的晶体管数目. 有比逻辑试图减少一个给定逻辑功能所需要的晶体管数目. 在有比逻辑中,整个PUN被一个无条件的负载器件所替代. 被一个无条件的负载器件所替代. 在有比逻辑中,整个 被一个无条件的负载器件所替代 由于输出端的电压摆幅及门的总体功能取决于NMOS和PMOS的尺寸比,所以该电路称为有比电路. 和 的尺寸比, 由于输出端的电压摆幅及门的总体功能取决于 的尺寸比 所以该电路称为有比电路. 这不同于像互补CMOS这样的无比逻辑类型,后者的高低电平与晶体管的尺寸无关. 这样的无比逻辑类型, 这不同于像互补 这样的无比逻辑类型 后者的高低电平与晶体管的尺寸无关.
扇出表示连接到驱动门输出端的负载门的数目N. 扇出表示连接到驱动门输出端的负载门的数目 . 增加一个门的扇出会影响它的逻辑输出电平.从模拟放大器中我们知道, 增加一个门的扇出会影响它的逻辑输出电平.从模拟放大器中我们知道, 通过使负载门的输入电阻尽可能的大(也就是使输入电流最小) 通过使负载门的输入电阻尽可能的大(也就是使输入电流最小)并保持驱 动门的输出电阻较小(即减小负载电流对输出电压的影响), ),可以使这一 动门的输出电阻较小(即减小负载电流对输出电压的影响),可以使这一 影响减到最小. 影响减到最小. 当扇出较大时,所加的负载会使驱动门的动态性能变差. 当扇出较大时,所加的负载会使驱动门的动态性能变差.为此许多通用单 元和库单元都定义了一个最大扇出数来保证该单元的静态和动态性能都能 满足规定的技术要求. 满足规定的技术要求.
37
电阻负载
VDD N transistors + Load Resistive Load RL VOH = V DD VOL = F In1 In2 In3 RPN RPN + RL Assymetrical response PDN Static power consumption tpL= 0.69 RLCL
7
静态CMOS电路 静态CMOS电路 CMOS
VDD
In1 In2 VDD PMOS only F(In1,In2,…InN) PDN
PUN
Vin
Vout CL
InN In1 In2 InN
NMOS only
PMOS上拉网络,NMOS下拉网络 上拉网络, 上拉网络 下拉网络 反向输出 结构对称互补
MN
CL
In3 In2 In1
M3 M2 M1
C3 C2 C1
24
快速逻辑设计方法(2) 快速逻辑设计方法(2)
调整晶体管顺序
–关键路径上的晶体管靠近输出,假设信号in1为关键信号
关键路径 charged CL C2 charged C1 charged 关键路径 0→1 In1 M3 In2 1 M2 In3 1 M1 charged CL C2 discharged C1 discharged
27
快速逻辑设计方法(5) 快速逻辑设计方法(5)
级联优化
–插入BUFFER隔离扇入扇出
CL
CL
28
提高CMOS组合逻辑性能
– 调整输入模式 – 控制扇入扇出个数 – 逐级加大MOS管尺寸 – 降低输出电压摆幅 – 级联优化
29
CMOS逻辑功耗 CMOS逻辑功耗
电压摆幅 物理电容 翻转概率
31
信号相关性
外部信号的统计概率相对难以预知 但内部信号经常有相关性
信号相关性使电路输入信号的统计概 率的计算更加复杂
32
虚假翻转
虚假翻转产生额外功耗 虚假翻转产生额外功耗 严重的会产生毛刺 严重的会产生毛刺
33
如何降低翻转概率
逻辑重组
链形比树形具有较低的开关活动性.但是树形结构没有任何毛刺活动性. 链形比树形具有较低的开关活动性.但是树形结构没有任何毛刺活动性.
In3 1 M3 In2 1 M2 In1 M1 0→1
延时取决于CL, C1 and C2的 放电时间.
延时取决于CL的放电时间
25
快速逻辑设计方法(3) 快速逻辑设计方法(3)
优化逻辑结构
–延时和扇入呈平方关系
26
快速逻辑设计方法(4) 快速逻辑设计方法(4)
降低电压摆幅
–Tp = 0.69(3/4(CLVSwing)/IDSAT) –可线性降低延时,还可以降低功耗 –但输出电压变低,会使后级电路变慢 –可用灵敏放大器放大输出(存储器设计中常用)
20
扇入对延时的影响
A
B R4 A R3 B R2 C R1 D
C
D CL C3 C2 C1
RC分布 (Elmore delay model) tpHL = 0.69 (R1C1+(R1+R2)C2+(R1+R2+R3)C3+(R1+ R2+R3+R4)CL)
传输延时随着输入个数的增多快速上升
30
翻转的统计特性
输入并不总是均匀分布的 以2输入NOR门为例 pa为A=1的统计概率 pb为B=1的统计概率 p1 =(1- pa)(1- pb)
–输出在一个周期中为0的概率
p0 =1- p1
–在下一个周期中为1的概率
不同的信号统计概率导致不同的翻转 概率, 概率,也就决定了不同的动态功耗
–减少物理电容 减少物理电容
寄生电容和负载电容
5
什么是组合逻辑
In
Combinational Logic Circuit
In Out
Combinational Logic Circuit
Out
State
Combinational Output = f(In)
Sequential Output = f(In, Previous In)