八位二进制累加器的设计

①最坏的上升延时分析(V=5V，Cin=1，A=1，B 0->1)
输入电压V=5V时，当Cin=1，A=1，B由0->1变化时，用计算器中的delay函数测得此最坏下降延时(对于Sum来说，此时相当于最坏的上升延时)如图所示。由图可知，Sum最坏的上升延时为484.14ps；而Sum_layout最坏的上升延时。所以，版图仿真的最坏上升延时比原理图仿真的最坏延时小79.1ps。
图七Cin=1，A=1，B由0->1时功耗的波形
(2)最坏的下降延时分析
下面利用瞬态分析，测量Cin=0，A=0，B由1->0变化时的延时情况。如下图所示，是该情况下的输入输出波形。
图八Cin=0，A=0，B由1->0时，输入输出波形
用计算器中的delay函数测得此时的最坏上升延时(对于Sum来说，此时相当于最坏的下降延时)如图九所示。由图可知，最坏的下降延时为528.98ps
aபைடு நூலகம்组内并行,组间串行的进位链
b)组内并行,组间并行的进位链
它们的目的就是要进位信号的产生尽可能的快,因此产生了二重进位链或更高重进位链,显然进位速度的提高是以硬件设计的复杂化为代价来实现的。
（3）串行加法进位
串行加法进位从最低位进到最高位，即整个进位是分若干步骤进行的。
优点：具有器件少、成本低、电路结构简单的优点。缺点：运算速度慢。
正电平触发式触发器的状态在CP=1期间翻转，在CP=0期间保持不变。电平触发式触发器的缺点是存在空翻现象，通常只能用于数据锁存。
（2）主从触发器：
主从触发器由分别工作在时钟脉冲CP不同时段的主触发器和从触发器构成，通常只能在CP下降沿时刻状态发生翻转，而在CP其他时刻保持状态不变。它虽然克服了空翻，但对输入信号仍有限制。
（1）在运算器中，累加器是专门存放算术或逻辑运算的一个操作数和运算结果的寄存器。进行加、减、读出、移位、循环移位和求补等操作，是运算器的主要部分。
（2）在中央处理器CPU中，累加器(accumulator) 是一种暂存器，用来储存计算所产生的中间结果。没有像累加器这样的暂存器，那么在每次计算 (加法，乘法，移位等等)后就必须要把结果写回到内存，也许然后再读回来。然而存取主内存的速度是比从算数逻辑运算单元(ALU) 到有直接路径的累加器存取更慢。
二、整体思路
累加器就是把一列的数字加起来。一开始累加器设定为零，每个数字依序地被加到累加器中，当所有的数字都被加入后，结果才写回到主内存中。
首先设计一全加器，可以将两数字A和B及进位进行相加，由于触发器具有记忆功能，所以将它们所加的结果输入到触发器进行存储，然后将存储的结果作为全加器的其中一输入再次与输入数字相加，然后再进行存储，这样就可以实现累加的功能了。
用计算器中的delay函数测得此时的最坏下降延时(对于Sum来说，此时相当于最坏的上升延时)如图所示。由图可知，最坏的上升延时484.75ps
如图七所示，是利用计算器中的spectrerPower函数计算出的功耗波形。由图可以看出，在静态时，电路消耗的功耗很微小(几乎为0)；然而在动态时，相对静态而言，消耗的功耗就比较大。然而，从整体上来说功耗还是很小的。
Si=Ai⊕Bi⊕Ci-1
第二个表达式也可用一个异或门来代替或门对其中两个输入信号进行求和：
全加器晶体管级电路：
各MOS管参数：
1.2全加器晶体管级原理图绘制
注意：Cin为关键信号(最后稳定信号)，故靠近输出端，可以减小延时。
1.3全加器逻辑功能验证
全加器的逻辑表达式可表示为：
其真值表如下表所示：
输入
通过选题，熟悉对cadence工具的应用，设计过程中运用模块化设计有助于整体的层次分明。因此在学习了模拟电子技术，数字电子技术，模拟CMOS集成电路设计，数字集成电路设计等的基础上，由最底层的晶体管级别的电路连成更为复杂的电路，实现特定的功能。
关键词：CMOS、ACCUMULATOR、全加器、触发器、累加器、版图、LVS验证、仿真、cadence、集成电路、模块化设计等。
（3）边沿触发器：
边沿触发器只能在CP上升沿（或下降沿）时刻接受输入信号，其状态只能在CP上升沿（或下降沿）时刻发生翻转。它应用范围广、可靠性高、抗干扰能力强。
3.最终方案：
综上所述，整体考虑，最终选择具有器件少、成本低、电路结构简单等优点的串行加法进位方式，触发器选用能克服空翻、可靠性高、抗干扰能力强的维持阻塞式边沿D触发器。
输出
A
B
Cin
Sum
Cout
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1.4全加器延时及功耗分析
首先，对上面的全加器进行封装。Design->Create->From Cellview,生成的封装symbol如图所示。
对上面的全加器原理图进行封装之后，建立如图所示的Full_Adder_test原理图，原理图主要用来分析全加器的延时以及功耗等。
(1)首先为与非门创建一个config view。然后，在Analog Environment环境中，Setup->Design选择所要模拟的线路图Full_Adder_posttest，view name选择config，然后按以前的方法进行仿真，仿真输入输出结果如图所示。
(2)不同的输入电压下延时与功耗
如图十所示，是利用计算器中的spectrerPower函数计算出的功耗波形。由图可以看出，在静态时，电路消耗的功耗很微小(几乎为0)；然而在动态时，相对静态而言，消耗的功耗就比较大。然而，从整体上来说功耗还是很小的。
图十Cin=0，A=0，B由1->0时功耗的波形
1.5全加器版图绘制与LVS验证
根据实验要求绘制该全加器的版图如图十一所示。该全加器版图使用AMI 0.6um工艺，栅长为600nm，NMOS和PMOS管的宽都以最小尺寸方向器作为标准进行放大。
2.对设计的八位累加器创建符号
3.3 八位累加器原理图仿真及分析
3.4 八位累加器逻辑功能验证
3.5八位累加器版图绘制、LVS验证及仿真分析
1.版图绘制
2.版图寄生电容的提取
3.LVS验证
3.6小结
五、本次课程设计收获与心得
六、参考文献
一、选题的背景及意义
累加器在计算机组成部件当中具有重要的作用，是用来储存计算所产生的中间结果，是一种暂存器。有各种不同的应用：
也就是说，当Cin=1，A=1，B由0->1变化时，下降延时最大。同理可以分析出，当Cin=0，A=0，B由1->0变化时，上升延时最大。
(1)最坏的上升延时分析
下面利用瞬态分析，测量Cin=1，A=1，B由0->1变化时的延时情况。如下图所示，是该情况下的输入输出波形。
Cin=1，A=1，B由0->1时，输入输出波形
学号：2011****
姓名：***
班级：微电子1班
指导教师：白天蕊
实习时间：二O一四年七月
摘要
随着科学技术的发展,计算机不断地更新换代,给我们的生活带来越来越多的便捷,然而累加器作为计算机的重要组成部件,在运算器、中央处理器CPU中、汇编语言程序中都有各种不同的应用，因此很有必要了解其工作原理。
本次课程设计目的为DESIGN A CMOS 8-BIT ACCUMULATOR，八位累加器主要由两大模块组成：八位加法器与八位寄存器。首先DESIGN A CMOS FULL ADDER和DESIGN A MASTER-SLAVE FLIP-FLOP，然后再由它们构成八位加法器。按定制设计流程设计各自原理图，确定参数，检验无误，即可进行原理图仿真及分析、逻辑功能验证、版图绘制、版图寄生电容提取、LVS验证及仿真分析。
1.6全加器版图仿真
1.7 小结
模块二、DESIGNA MASTER-SLAVEFLIP-FLOP
2.1 触发器介绍（包括工作原理，功能逻辑等）
2.2 D触发器原理图绘制
1.首先设计三输入与非门的原理图
2.对设计的三输入与非门创建符号
3.利用创建的三输入与非门符号设计主从触发器
4.对设计的主从触发器创建符号
目录索引
一、选题的背景及意义
二、整体思路
三、方案选择
1.八位加法器的选择
2.触发器的选择
3.最终方案
四、设计详细内容
模块一、DESIGN A CMOS FULL ADDER
1.1 全加器介绍（包括工作原理，功能逻辑等）
1.2 全加器原理图绘制
1.3 全加器逻辑功能验证
1.4全加器延时及功耗分析
1.5全加器版图绘制与LVS验证
ACOUT
BSUMOUT
CIN
累加器结构图
三、方案选择
八位二进制累加器主要由两大模块组成：八位加法器与八位寄存器。八位寄存器主要是由触发器组成的，八位加法器由一位全加器组成，所以最终归结到八位加法器的组成方式与各类触发器方案的选择。
1.八位加法器的选择：
(1)串行进位的并行加法器;
(2)并行进位的并行加法器;
由于要测量最坏情况下的延时以及功耗，所以首先应分析何时才是最坏的情况。由全加器原理图图一可以看出，最长的MOS管链是输入A、B、Cin的三个MOS管，所以最大的延时就取决于这最长的MOS管链。下面我们来分析该链最坏下降延时情况下的输入条件，如图所示
(a)输入B=0保持不变(b)输入B由0->1变化
由于节点寄生电容的存在，所以每一次充放电的过程中，都要对寄生电容C1及C2进行充放电，进而增加了传输延时。如图所示，当Cin=1，A=1，B=0保持不变，即Cin、A输入的NMOS管导通，B输入的NMOS管截止，NMOS没有到地的通路，负载电容不会放电，然而不期望的是，Cin和A反而会对寄生电容C1及C2进行充电，使得寄生电容C1及C2存储电荷；当Cin=1，A=1，B由0->1变化时，即Cin、A、B输入的NMOS管均导通，有到地的通路，所以不仅负载电容Cload会放电，而且寄生电容C1及C2也要放电，所以增加了下降延时的时间。由于B是最后稳定的信号(通常称为关键信号)，所以经过上面的分析可以得出一个结论：为了减小延时、提高速度，关键信号(最后稳定的信号)应该尽量靠近输出端。