C-element

Muller Cエレメント(Cゲート、ヒステリシスフリップフロップ、または場合によっては同時フリップフロップ、両手安全回路)は、非同期回路およびシステムの設計で広く使用されている小さなデジタルブロックです。1955年にDavidE。Muller によって正式に指定され、ILLIACIIコンピューターで最初に使用されました。格子の理論の観点から、C要素は半モジュラー分配回路であり、その時間内の動作はハッセ図で表されます。 C要素はランデブーおよび結合要素と密接に関連しており、入力を2回続けて変更することはできません。場合によっては、遅延間の関係がわかっている場合、C要素は積和(SOP)回路として実現できます。 C要素を実装するための初期の手法 には、シュミットトリガー、 Eccles-Jordanフリップフロップ、および最後の移動点フリップフロップが含まれます。
ナイーブ(Earleラッチに基づく)の実装と環境の
遅延
Cエレメントと包括的ORゲートのタイミング図
C要素と包括的ORゲートのマジョリティゲートの実現(a); Maevsky(b)、Tsirlin(c)、Murphy(d)によって提案された実現
2入力および3入力のC要素の静的実装
2入力および複数入力のC要素の半静的実装。
より高速なバージョンについては、を参照してください デビッドセル(a)とその高速実装:ゲートレベル(b)とトランジスタレベル(c)
内容
1 真理値表と遅延の仮定
2 C要素の実装
2.1 ゲートレベルの実装 2.2 静的および半静的な実装 2.3 一般化と非トランジスタの実装
3 参考文献
4 外部リンク
真理値表と遅延の仮定
2つの入力信号の場合、C要素は次の式で定義されます。
y n =X 1X 2 + (( X 1 +X
2)y n − 1 { 画像注釈 y_ {n} = x_ {1} x_ {2} +(x_ {1} + x_ {2})y_ {n-1}}

 、これは次の真理値表に対応します。X 1 { 画像注釈 x_ {1}}
 X 2 { 画像注釈 x_ {2}}
  y n
{ 画像注釈 y_ {n}}
 0 0 0 0 1 y n − 1 { 画像注釈 y_ {n-1}}
 1 0 y n − 1{ 画像注釈 y_ {n-1}}
 1 1 1 このテーブルは、カルノー図を使用して回路に変換できます。ただし、遅延の仮定については何も言われていないため、取得した実装は単純です。得られた回路がどのような条件下で機能するかを理解するには、追加の分析を行う必要が
delay1は、ノード1から環境を経由してノード3への伝播遅延です。
delay2は、ノード1からノード3への内部フィードバックを介した伝搬遅延です。
delay1はdelay2より大きくなければなりません。
したがって、単純な実装は、遅い環境に対してのみ正しいものです。 Cエレメントの定義は、複数値のロジックまたは連続信号に対しても簡単に一般化できます。
 もし X 1 =X 2 = 。 =X
m  その後 y n = どれか
(( X 1 X 2
、 。 、X m )  そうしないと y n = y n − 1 { 画像注釈 { text {if}} x_ {1} = x_ {2} = … = x_ {m}、{ text {then}} y_ {n} = { text {any}}(x_ {1}、x_ {2}、…、x_ {m})、{ text {else}} y_ {n} = y_ {n-1}。}
  たとえば、2つの入力を持つ平衡三元C要素の真理値表は次のとおりです。X 1 { 画像注釈 x_ {1}}
 X 2 { 画像注釈 x_ {2}}
  y n
{ 画像注釈 y_ {n}}
  -1 -1 -1 -1 0y n − 1{ 画像注釈 y_ {n-1}}
 
-11 y n − 1{ 画像注釈 y_ {n-1}}
  0 -1y n − 1{ 画像注釈 y_ {n-1}}
 0 0 0 0 1 y n − 1 { 画像注釈 y_ {n-1}}
  1 -1y n − 1{ 画像注釈 y_ {n-1}}
 1 0 y n − 1{ 画像注釈 y_ {n-1}}
 1 1 1 C要素の実装
スイッチング速度と消費電力の要件に応じて、Cエレメントは粗いまたは細かい回路として実現できます。また、C要素の単一出力と差分の実現を区別する必要がNANDのみ(NORのみ)を使用して差分実現が可能です。単一出力の実現は、次の場合にのみ実行可能です。
Cエレメントの各入力が個別のインバーターを介してその出力に接続されている回路は、すべてのインバーターが励起されている状態に対してセミモジュラーです。
この状態は、Cエレメントの出力ゲートで有効です。
ゲートレベルの実装
論理ゲート上に構築されたCエレメントのさまざまな単一出力回路がいくつかあります 。特に、いわゆるMaevskyの実装 は、大まかに基づいた非分配回路です。同時実行性を高めるために、非分散性が導入されることがこの回路の3NANDゲートは、2つの2NANDゲートに置き換えることができます。2入力ゲートのみを使用するCエレメントは、Tsirlin によって提案され、Starodoubtsev etalによって合成されました。タクソグラム言語の使用この回路は、Bartky に起因する(参照なしの)回路と一致し、入力ラッチなしで動作できます。2つのRSラッチ上に構築されたCエレメントのさらに別のバージョンは、Petrifyツールを使用してMurphy によって合成されました。ただし、この回路には、入力の場合に1つに接続されたインバータが含まれます。このインバーターには小さな遅延が必要です。ただし、たとえば、すでに1つの反転入力があるRSラッチの実現が速度に依存しないアプローチ は、すべてのゲートでゼロ遅延入力インバーターが使用可能であることを前提としています。これは、真の速度に依存しない違反ですが、実際にはかなり安全です。この仮定を使用する他の例も存在します。
静的および半静的な実装
彼の報告で、ミュラーはフィードバック付きの多数決ゲートとしてC要素を実現することを提案しました。ただし、内部遅延のスキューに関連する危険を回避するために、マジョリティゲートにはできるだけ少数のトランジスタを搭載する必要が 一般に、タイミングの仮定が異なるC要素は、AND-OR-Invert(AOI) またはそのデュアルOR-AND-Invert(OAI)ゲート[ OAI)上に構築できます。 42] とインバーター。Varshavskyらが特許を取得したさらに別のオプション。 は、入力信号が互いに等しくない場合にそれらをシャントすることです。非常に単純であるため、これらの実現は短絡のためにより多くの電力を消費します。追加の多数決ゲートをCエレメントの反転出力に接続すると、包括的OR(EDLINCOR)関数が得られます。
z n =X 1X 2 + (( X 1 +X 2) y
n ¯ { 画像注釈 z_ {n} = x_ {1} x_ {2} +(x_ {1} + x_ {2}){ overline {y_ {n}}}}

 。パルスディストリビュータのようないくつかの単純な非同期回路は、多数ゲートのみで構築できます。
セミスタティックCエレメントは、SRAMセルと同様に、2つの交差結合インバーターを使用して以前の状態を保存します。インバーターの1つは回路の他の部分よりも弱いため、プルアップおよびプルダウンネットワークによって圧倒される可能性が両方の入力が0の場合、プルアップネットワークはラッチの状態を変更し、C要素は0を出力します。両方の入力が1の場合、プルダウンネットワークはラッチの状態を変更し、C要素を作成します。出力a1。それ以外の場合、ラッチの入力はどちらにも接続され V dd
{ 画像注釈 V _ { text {dd}}}

 またはグランドであるため、弱いインバータが優勢になり、ラッチは前の状態を出力します。負性微分抵抗(NDR)を備えたデバイス上に構築されたセミスタティックCエレメントのバージョンも NDRは通常、小信号用に定義されているため、このようなCエレメントが全範囲の電圧または電流で動作することを期待することは困難です。【独自の研究?]
一般化と非トランジスタの実装
マジョリティゲートはスレッショルドゲートの特定のケースであるため、スレッショルドゲートの既知の実現は、原則としてC要素の構築に使用できます。ただし、複数値の場合、多数決ゲートの出力を1つまたは複数の入力に接続しても、望ましい効果が得られない場合がたとえば、として定義されている3値多数決関数を使用します。 y =
{{ + 1
もしX 1 +X 2 +X 3⩾ + 1 0
もしX 1 +X 2 +X 3=
0 − 1 もしX 1 +X 2 +X 3⩽ − 1
{ 画像注釈 y = { begin {cases} + 1&{ text {if}} x_ {1} + x_ {2} + x_ {3} geqslant + 1、\ 0&{ text {if}} x_ {1} + x_ {2} + x_ {3} = 0、\-1&{ text {if}} x_ {1} + x_ {2} + x_ {3} leqslant -1 end {ケース}}}
  合計が真理値表で指定された3値のC要素にはなりません
X 1 +X 2 +X 3 { 画像注釈 x_ {1} + x_ {2} + x_ {3}}

 ペアに分割されただし、そのような分割がなくても、2つの三項多数決関数は三項を含むORゲートを構築するのに適しています。Maevsky回路とTsirlin回路はどちらも、実際にはいわゆるDavidセルに基づいています。その高速トランジスタレベルの実装は、提案されているセミスタティックCエレメントで使用されます。パストランジスタ(実際にはMUX 2:1)を使用するさらに別の半静的回路が提案されています。 Cエレメントを含む非同期プリミティブの実現に適した他の技術は、カーボンナノチューブ、単一電子トンネリングデバイス、量子ドット、および分子ナノテクノロジーです。
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外部リンク
ワーククラフトツール:C要素の合成と検証

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カテゴリー: C