JP2003273727A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JP2003273727A
JP2003273727A JP2002118574A JP2002118574A JP2003273727A JP 2003273727 A JP2003273727 A JP 2003273727A JP 2002118574 A JP2002118574 A JP 2002118574A JP 2002118574 A JP2002118574 A JP 2002118574A JP 2003273727 A JP2003273727 A JP 2003273727A
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semiconductor integrated
integrated circuit
logical
memory
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Shinji Kimura
晋二 木村
Takashi Horiyama
貴史 堀山
Masaki Nakanishi
正樹 中西
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Abstract

(57)【要約】 【課題】論理関数の真理値表の値を記憶するルックアッ
プテーブル(Look Up Table,LUT)を
用いた論理回路のプロトタイピングやデバッグなどに広
く用いられているフィールドプログラマブルゲートアレ
ー(Field Programmable Gate
Array,FPGA)では、論理関数実現時の面積効
率の悪さと低速性が問題となっているので、記憶に必要
なメモリのサイズを削減する手法およびその実現法を提
供することで、高速、省面積な半導体集積回路装置を提
供する。 【解決手段】実現したい論理関数の真理値表の部分間の
関係に着目し、一部だけをメモリに格納して、付加的な
論理ゲートを用いることで残りの部分の真理値表を構成
する。とくに、3−1のLUTを2−1 LUT2つと
して用いて、それらの間に論理否定や論理和などを導入
することで、加減算回路、等価性、大小比較、多ビット
のAND/ORなどの論理関数を効率よく実現する。こ
れをここでは論理関数の畳み込み(フォールディング、
folding)と呼ぶ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ルックアップテー
ブル(Look UpTable,LUT)装置および
それに基づくフィールドプログラマブルゲートアレイ
(Field Programmable Gate
Array,FPGA)装置を実現する半導体集積回路
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】これまでに、3入力1出力の任意の論理
関数が実現できる3−1LUTや4入力1出力の任意の
論理関数が実現できる4−1LUTとそれに基づくFP
GAが実現されている。文献としては、例えばwww.
altera.com中のAPEXIIProgram
mable Logic DeviceFamily
Data Sheeetに示されている。
【0003】従来法では、4入力1出力の任意の論理関
数が実現できる4−1LUTが、16ビットのメモリと
16本の入力の一つを選んで出力する選択回路から構成
されている。また、4−1LUTを、8ビットのメモリ
と8本の入力の一つを選んで出力する選択回路からなる
3−1LUT2つとしても使えるようにし、高速な桁上
げ回路を付け、3入力2出力の全加算器を4−1LUT
1つで実現できるようにする構造が一般的である。さら
に、多ビットの論理積や、等価性判定のためのカスケー
ドチェインと呼ばれる特別な回路装置を装備することも
一般的である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】論理関数の真理値表の
値を記憶するルックアップテーブル(Look Up
Table,LUT)を用いた論理回路のプロトタイピ
ングやデバッグなどに広く用いられているフィールドプ
ログラマブルゲートアレー(Field Progra
mmable Gate Array,FPGA)で
は、論理関数実現時の面積効率の悪さと低速性が問題と
なっているので、記憶に必要なメモリのサイズを削減す
る手法およびその実現法を提供することで、高速、省面
積な半導体集積回路装置を提供する。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体集積回路
装置は、論理関数の真理値表の値をメモリに記憶し、前
記メモリの値を入力信号により選択することで、任意の
論理関数を実現するルックアップテーブル装置を備えた
半導体集積回路装置において、ルックアップテーブル装
置のメモリに記憶されている値同士の論理演算を行う回
路素子を用いて少なくとも2種類の論理関数を実現する
手段を有することを特徴としている。
【0006】また、本発明の半導体集積回路装置は、任
意のn入力関数(nは3以上の整数)を実現できる2
ビットのメモリと、そのメモリの1つを選択する回路か
らなるn−1ルックアップテーブル装置を有する半導体
集積回路装置において、前記n−1ルックアップテーブ
ル装置を、任意の3入力関数の実現に適用する手段、及
び、2(n−1)ビットのメモリとその2(n−1)
ットのメモリから1つを選択する回路からなる2つの
(n−1)−1ルックアップテーブル装置として用いる
ことで2つの任意の(n−1)入力論理関数の実現に適
用し、前記2つの(n−1)−1ルックアップテーブル
装置の出力を論理演算する手段によってn入力の論理関
数2つの実現に適用する手段とを有することを特徴とし
ている。
【0007】また、本発明の半導体集積回路装置は、任
意の3入力関数を実現できる8ビットのメモリと、その
メモリの1つを選択する回路からなる3−1ルックアッ
プテーブル装置を有する半導体集積回路装置において、
前記3−1ルックアップテーブル装置を、任意の3入力
関数の実現に適用する手段、及び、4ビットのメモリと
その4ビットのメモリから1つを選択する回路からなる
2つの2−1ルックアップテーブル装置として用いるこ
とで2つの任意の2入力論理関数の実現に適用し、前記
2つの2−1ルックアップテーブル装置の出力を論理演
算する手段によって3入力の論理関数2つの実現に適用
する手段とを有することを特徴としている。
【0008】さらに、本発明の半導体集積回路装置は、
前記2つの2−1ルックアップテーブル装置の出力を論
理演算する手段として論理否定の回路素子と論理和の回
路素子を用いることで、3入力2出力の全加算器の関数
を実現する手段を有することを特徴としている。
【0009】さらに、本発明の半導体集積回路装置は、
二進数の等価性判定、大小比較、2ビットの論理積、及
び2ビットの論理和を実現する手段を有することを特徴
としている。
【0010】上記発明では、実現したい論理関数の真理
値表の部分間の関係に着目し、一部だけをメモリに格納
して、付加的な論理ゲートを用いることで残りの部分の
真理値表を構成する。特に、3−1のLUTを2−1L
UT2つとして用いて、それらの間に論理否定や論理和
などを導入する。これにより、従来法では16ビットの
メモリを必要とし、16ビットのメモリとなるように3
−1LUT2つで実現されていた全加算器の論理関数
を、8ビットのメモリしかない3−1LUT1つだけと
付加的な論理素子で実現でき、記憶するべきメモリのサ
イズを半分にすると同時に、回路の実現に必要な面積を
半減する。さらに、提案する方式のLUTを複数用いる
ことで、等価性、大小比較、多ビットのAND/ORな
どの論理関数の他、一般的な4入力論理関数を効率よく
実現できるようになる。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施形態であ
る。8ビットの論理関数値を記憶するためのメモリと、
1ビットのモードを決定するメモリ(Mode Bi
t)と、4−1の選択回路が二つと、2−1の選択回路
が三つと、P,Qで表される回路素子から構成されてい
る。P,Qには、2つの4−1の選択回路の出力が接続
されていて、下部からのCinの値に応じて、P,Qの
値を選択的に出力できる。
【0012】モードを決定するメモリが0の場合は、C
inが0ならば、Coutが0になると同時に、y出力
に8ビットのメモリの値が入力a,b,cの値に応じて
選ばれ、出力される。つまり、通常の3−1ルックアッ
プテーブルの動作をする。
【0013】モードを決定するメモリが1の場合は、C
outは、Cinが0なら上部の4ビットのメモリの内
容がb,cにより選ばれて、出力され、Cinが1なら
上部の4ビットのメモリのb,cによる選択結果と、下
部の4ビットのb,cによる選択結果との素子Pによる
演算結果が出される。また、y出力には、Cinが0な
ら、下部の4ビットのメモリのb,cによる選択結果が
そのまま出され、Cinが1なら、上部の4ビットのメ
モリのb,cによる選択結果と、下部の4ビットのb,
cによる選択結果との素子Qによる演算結果が出され
る。
【0014】このルックアップテーブル装置を複数用い
る時は、図2に示すように、CinとCoutを順次接
続した形態で用いる。すべての装置のモードメモリを0
で用いる場合は、最下位のLUTのCinを0にするこ
とで残りのLUTのCinを0にできる。
【0015】図1に示す一般的な構成の装置に対し、P
の素子を論理和に、Qの素子を否定にした構造を図3に
示す。モードメモリが1の場合のCoutは、Cinが
0なら上部の4ビットのメモリの内容をb,cで選択し
たものとなり、Cinが1なら上部の4ビットのメモリ
の内容をb,cで選択したものと下部の4ビットのメモ
リの内容をb,cで選択したものとの論理和となる。上
部、下部のメモリに図3のように00010110を入
れておくと、論理和により図5に示すCoutの論理関
数を正しく実現できる。
【0016】一方、出力yは、Cinが0の時には下部
の4ビットのメモリの内容をb,cで選択したものとな
り、Cinが1の時には下部の4ビットのメモリの内容
をb,cで選択したものの否定となる。すなわち011
01001となり、図5に示すSumの論理関数を正し
く実現できる。
【0017】以上示したように、図2の構成により、通
常の方式では16ビットのメモリを必要とする二つの3
入力論理関数である全加算器を、半分のメモリ量の8ビ
ットのメモリと追加の簡単な論理演算素子だけで実現で
きる。
【0018】さらに、図3の3−1ルックアップテーブ
ルの順次接続構成により、全加算器だけでなく、図6に
示す二進数の等価性判定(=)、大小判定(<,<=,
=>,>)の一桁分を一つのルックアップテーブルで実
現でき、判定結果の情報を桁上げ回路を用いて伝えるこ
とができる。すなわち、このルックアップテーブルの構
造だけで、特別な付加回路無しで、等価判定、大小判定
ができる。=,<,>の場合には、真理値表のデータの
下半分と上半分のORが下半分に等しいので、LUTの
メモリには、真理値表の値がそのまま入る。
【0019】さらに、kビットのANDやORについて
は、図3に示す1つのルックアップテーブルで2ビット
ずつ判定ができ、その結果を桁上げ回路を用いて伝える
ことができる。
【0020】これまでの技術では、等価判定、大小判
定、多ビットのANDやOR用に、キャリーチェインと
呼ばれる特別な回路を付加する必要があったので、今回
提案する手法で、そのような特別な回路を削減できる。
【0021】また、図4に示す構造を用いると、桁上げ
回路で順次接続されたルックアップテーブル2つで、4
入力関数を実現することもできる。もしもこれで関数が
構成できれば、通常の4−1のルックアップテーブルと
同じメモリ量(16ビット)で4入力関数が実現できる
ことになる。
【0022】最後に、図1に示すP,Qとしては、論理
和や論理否定の他、論理積やEXORなどの演算も考え
られる。
【0023】以上の実施例では、3−1のルックアップ
テーブルに本発明を適用した例を示したが、より大きい
ルックアップテーブルについても適用できる。
【0024】
【発明の効果】全加算器の実現に必要なメモリのサイズ
が、これまでの手法に比較して半分になる。また、より
一般的な4入力論理関数も多くの場合が今回提案の2つ
の3−1LUTで実現できるので、面積は減少する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における3−1ルックアップテ
ーブルの一般形を示す。
【図2】本発明の実施例を示す。
【図3】本発明の実施例のルックアップテーブル装置の
順次接続方式を示す。
【図4】本発明の実施例における3−1ルックアップテ
ーブル装置を二つ用いて4入力論理関数を実現する実施
例を示す。
【図5】加算の論理関数の真理値表を示す。
【図6】二進数の等価性判定、大小比較の真理値表を示
す。
フロントページの続き Fターム(参考) 5F064 AA08 BB03 BB04 BB13 FF04 FF36 FF52 5J042 BA01 BA09 BA19 CA00 CA19 CA20 CA22 CA23 CA27 DA01 DA03

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】論理関数の真理値表の値をメモリに記憶
    し、前記メモリの値を入力信号により選択することで、
    任意の論理関数を実現するルックアップテーブル装置を
    備えた半導体集積回路装置において、ルックアップテー
    ブル装置のメモリに記憶されている値同士の論理演算を
    行う回路素子を用いて少なくとも2種類の論理関数を実
    現する手段を有することを特徴とする半導体集積回路装
    置。
  2. 【請求項2】任意のn入力関数(nは3以上の整数)を
    実現できる2ビットのメモリと、そのメモリの1つを
    選択する回路からなるn−1ルックアップテーブル装置
    を有する半導体集積回路装置において、前記n−1ルッ
    クアップテーブル装置を、任意の3入力関数の実現に適
    用する手段、及び、2(n−1)ビットのメモリとその
    (n−1)ビットのメモリから1つを選択する回路か
    らなる2つの(n−1)−1ルックアップテーブル装置
    として用いることで2つの任意の(n−1)入力論理関
    数の実現に適用し、前記2つの(n−1)−1ルックア
    ップテーブル装置の出力を論理演算する手段によってn
    入力の論理関数2つの実現に適用する手段とを有するこ
    とを特徴とする半導体集積回路装置。
  3. 【請求項3】任意の3入力関数を実現できる8ビットの
    メモリと、そのメモリの1つを選択する回路からなる3
    −1ルックアップテーブル装置を有する半導体集積回路
    装置において、前記3−1ルックアップテーブル装置
    を、任意の3入力関数の実現に適用する手段、及び、4
    ビットのメモリとその4ビットのメモリから1つを選択
    する回路からなる2つの2−1ルックアップテーブル装
    置として用いることで2つの任意の2入力論理関数の実
    現に適用し、前記2つの2−1ルックアップテーブル装
    置の出力を論理演算する手段によって3入力の論理関数
    2つの実現に適用する手段とを有することを特徴とする
    半導体集積回路装置。
  4. 【請求項4】請求項3に記載の半導体集積回路装置にお
    いて、前記2つの2−1ルックアップテーブル装置の出
    力を論理演算する手段として論理否定の回路素子と論理
    和の回路素子を用いることで、3入力2出力の全加算器
    の関数を実現する手段を有することを特徴とする半導体
    集積回路装置。
  5. 【請求項5】請求項4に記載の半導体集積回路装置にお
    いて、二進数の等価性判定、大小比較、2ビットの論理
    積、及び2ビットの論理和を実現する手段を有すること
    を特徴とする半導体集積回路装置。
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