JP4973725B2 - データ転送システム - Google Patents

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Description

本発明はデータ転送システムに関する。
パソコンや情報処理装置などの電子機器において消費電力の削減は常に重要な問題である。一般に、このような電子機器において用いられている半導体集積回路(LSI)において、例えば、LSIとLSI外部との間の比較的長距離の配線におけるデータ転送に伴う消費電力が大きい。例えばCMOS方式のLSIでは出力信号の値が変化する瞬間に大きな電力が消費される。
図1は、2ビットデータの転送方式の従来例の説明図である。この従来例においては、2ビットの信号A[0]、およびA[1]を転送するために2本の長距離配線が用いられ、例えばインバータ100、100を介して出力される送信データは長距離配線101によって転送され、受信側でインバータ102、102を介して2ビットデータC[0]、およびC[1]として出力される。このような従来方式においては、データのビット数が大きくなるほど、すなわちデータバス幅が増大するほど、データ転送に必要な消費電力が増大するという問題点があった。
このような信号伝達に必要な消費電力を削減する従来技術としての特許文献1では、転送すべきデータの時間的変化が小さくなるように、転送対象となる元データの極性の反転/非反転を行い、その結果に反転の有無を示す極性指示データを付け加えて受信側に転送することによって、消費電力を削減する信号伝達装置が開示されている。
特開平8−314589号 「信号伝達装置」
本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、転送すべきデータのビット数、すなわちデータのバス幅が増大しても、データ転送に要する消費電力を抑制し、電子機器における消費電力を削減することである。
本発明は、データ転送システムであって、n本の送信信号線を有する送信側とn本の受信信号線を有する受信側との間に、2本のデータ転送用信号線を備え、nビットの送信データを前記データ転送用信号線で転送することを特徴とする。また、2本を1組とし、n組の信号に対応する2n本の信号線上のパルス信号送信する送信側と受信する受信側との間に、2本のデータ転送用信号線を備えることを特徴とする。
以上のように本発明においては、データ送信側と受信側との間の2本のデータ転送用信号線のうちで、1本の信号線に低電位(L)、他の信号線に高電位(H)の信号が出力される。低電位の信号線1本の電位が高電位に変化するときおよび高電位の信号線1本の電位が低電位に変化するときに電力が消費される。すなわち、電位の変化によって電力が消費される信号線の本数は、データのビット数が増大しても前述した1本分ずつで済み、特にビット数が増大したときの電力削減効果が大きい。
また、パルス信号を伝送するデータ転送システムにおいても、2本のデータ転送用信号線のうちで電位が変化するパルスが転送される信号線は1本であり、このパルスの電位が変化するときに電力が消費されるために、転送データのビット数が増大しても消費電力を低く抑えることが可能となる。
従来のデータ転送方式の説明図である。 第1の実施例におけるデータ転送システムの原理構成ブロック図である。 第2の実施例におけるデータ転送システムの原理構成ブロック図である。 本発明の第1の実施例における2ビットデータ転送システムの構成回路図である。 図3におけるエンコーダ内部のNANDゲートに対する入出力の説明図である。 図3におけるデコーダ内部のNANDゲートに対するデータ入出力の説明図である。 図3の2ビットデータ転送システムに対する真理値表を示す図である。 第1の実施例における消費電力削減効果の説明図である。 第1の実施例における3ビットデータ転送システムの構成を示す回路図である。 図8における送信側のNANDゲートに対するデータ入出力の説明図である。 図8における受信側のNANDゲートに対するデータ入出力の説明図である。 第1の実施例における4ビットデータ転送システムの構成を示す回路図である。 図11における送信側のNANDゲートに対する入出力の説明図である。 図11における受信側のNANDゲートに対するデータ入出力の説明図である。 第2の実施例におけるパルスデータ伝送システムの構成を示す回路図である。 図14のデータ転送システムにおける真理値表を示す図である。 第2の実施例における消費電力削減効果の説明図である。 第3の実施例に対応するSRAMのデータ読み書き回路の構成図である。 複数ビットのSRAMにおけるグローバルビット線の説明図である。
図2A、図2Bは、本発明のデータ転送システムの原理構成ブロック図である。図2Aは後述する第1の実施例、図2Bは第2の実施例におけるデータ転送システムの原理構成ブロック図である。
図2Aにおいてデータ転送システムは、送信側において転送すべきデータをn本の信号線から入力信号として受け取り、受信側との間の2本のデータ転送用信号線としての長距離配線3に出力を与えるエンコーダ1、受信側において長距離配線3から入力される信号を受け取り、n本の信号線に転送データを出力するデコーダ2を備えている。
エンコーダ1は、転送すべきデータの入力に対応して、2本の長距離配線3のうちで、転送すべきデータに対応する1本の信号線のみにL、他の全ての信号線にHの信号を出力し、デコーダ2は長距離配線3からの信号の入力に対応して、送信側における送信データと同一のデータをn本の信号線に出力する。
図2Bにおいて2本を1組とし、n組の信号に対応する2n本の信号線上のパルスデータ信号が転送されるが、送信側と受信側との間に2本のデータ転送用信号線としての長距離配線8が備えられる。ここで2本1組の信号線は相補的(差動的)パルスデータに対する信号線である。
データの送信側には、転送されるべきパルスとして相補的な2本の信号線を1組として、それぞれのn組の信号線2本のうちどちらか1本の信号線に正パルスが与えられた時、2本のデータ転送用信号線のうちで、この正パルスが与えられたn本の信号線に対応する1本のみのデータ転送用信号線に、正パルスのパルス幅に対応して電位が高電位から低電位に変化するパルスを出力するエンコーダ6が備えられ、またデータ受信側に2本の信号線からの信号の入力に対応して、2n本の出力信号線のうちで送信側で正パルスが与えられたそれぞれの信号線に対応する各信号線に正パルスを出力するデコーダ7が備えられる。
図3は、本発明の第1の実施例における2ビットデータ転送システムの構成回路図である。第1の実施例では、後述する第2の実施例において送信側から受信側にパルスデータを送るのに対して、“1”、すなわちH、または“0”、すなわちLの直流的な値を持つ複数のビットのデータを送信側から受信側に送るものとする。また本発明においては、n本の信号線上のデータが2本のデータ転送用信号線、例えば長距離配線を用いて受信側に送られ、原理的には1本の信号線、すなわち1ビットのデータを2本のデータ転送用信号線を用いて転送することも可能であるが、実用的な観点から2ビット以上の信号を送るものとして第1の実施例について説明する。
図3において送信側のエンコーダ10に対して2ビットのデータA[0]、A[1]が与えられ、エンコーダ10からは4ビットのデータに対応するB[0]からB[3]までのデータが出力され、このデータが長距離配線12を介して受信側に送られる。
受信側のデコーダ11に対しては、長距離配線12からのデータとしてB[0]からB[3]までのデータが与えられ、デコーダ11からは送信側から送られるデータA[0]と同じ値を持つC[0]と、A[1]と同じ値を持つC[1]に加えて、これらのそれぞれの反転信号Cx[0]、Cx[1]が出力されるものとする。なおここでこれらの反転信号の出力は必ずしも必要でないが、受信側で差動信号を必要とするような場合に有効である。
図4は、図3におけるエンコーダ10を構成する2個のインバータ15、15、および4個のNANDゲート16から16のうちで4個のNANDゲートに対する入力信号と出力信号との間の関係を示す。まず2個のインバータ15、15からそれぞれ出力信号Ax[0]とAx[1]とが出力され、これらの反転信号は必要に応じて4個のNANDゲート16から16までに対して与えられる。
図4の第1行はNANDゲート16に対する入力信号と出力信号との関係を示し、入力信号としてはAx[0]とAx[1]とが与えられ、出力信号としてB[0]が出力される。第2行から第4行は、それぞれNANDゲート16から16までに対する入力信号と出力信号との関係を示す。
図5は、図3のデコーダ11を構成する4個のNANDゲート17から17までに対する入力信号と出力信号との関係を示す。第1行は、NANDゲート17に対する入力信号と出力信号との関係を示し、入力としてB[0]とB[2]とが与えられ、出力としてCx[0]が得られる。第2行から第4行は、それぞれNANDゲート17から17までに対する入力信号と出力信号の関係を示す。
図6は、図3の2ビットデータ転送システムにおける真理値表である。同図において10進数で0から3までのデータに対する入力信号2ビットA[0]、A[1]の値と、エンコーダ10の出力としてのB[0]からB[3]までの値と、デコーダ11の出力のうちでエンコーダ10への入力信号A[0]、A[1]とその値が等しくなるC[0]、C[1]の値が示されている。
図6において長距離配線12によって転送されるデータB[0]からB[3]までのデータを見ると、10進数の0から3のそれぞれに対して、4つの値B[0]からB[3]までの値のうちで1つだけが“0”であり、その他の3つが全て“1”であるという特徴がある。そしてエンコーダ10への入力2ビットの値が1ビットでも変化すると、この1つだけの値、例えば図6で10進数0に対応する4つの値のうちB[0]の“0”の値が必ず“1”に変化し、残りの3つの値、すなわち全て“1”であった値、ここではB[1]からB[3]までのいずれか1つが“0”に変化するという特徴がある。
図7は、第1の実施例における消費電力削減効果の説明図である。同図はnビットのデータを従来のようにn本の信号線を使って転送する代わりに、2本の信号線を使って転送する第1の実施例における消費電力削減効果の説明図であり、例えば2ビットのデータを転送するための信号線の本数は4本であり、6ビットのデータを転送するために必要な信号線の本数は64本である。
図7に関連して、まず従来における消費電力について説明する。例えば1ビットの信号A[0]が変化する場合、A[0]の値が“0”の場合は“1”に変化し、“1”の場合は“0”に変化する。これに加えて変化しない場合は“0”は“0”のままであり、“1”は“1”のままである。また、動作時と非動作時のときを踏まえた動作率を考慮すると、信号A[0]が変化する確率は値が変化しない場合も含めて0.25となる。
従って2ビットのデータに対しては、1ビット当たりの消費電力を0.25とすると、2本の信号線に対応して消費電力は0.5となり、nビットの場合には0.25×nによって消費電力が表わされる。従って6ビットの場合には1.5によって消費電力が表わされることになる。
これに対して第1の実施例に対する2ビットの場合の消費電力について図6を参照して説明する。図6で説明したように2ビットのデータA[0]、A[1]のうちで1ビット以上のデータの変化があったときに、長距離配線のデータB[0]からB[3]のうちで1本のデータが“0”から“1”に、1本のデータが“1”から“0”に変化する。この時、A[0]とA[1]が変化する確率、あるいは逆に変化しない確率は共に0.5であり、消費電力は
(全体の確率)−(データAの全ビットが変化しない確率)
によって与えられるものと考えれば2ビットの場合には次式によって与えられる。
消費電力=1−(0.5)=0.75
またnビットのデータに対しては消費電力は次式によって与えられる。
消費電力=1−(0.5)
このように本発明においてはデータのビット数nの増加につれて消費電力の値は“1”に近づくものと考えられる。図7に示すように従来技術では4ビットのデータに対する消費電力が1.0となっており、第1の実施例においては4ビット以上のデータの転送において消費電力を削減することが可能となる。
図8は、第1の実施例における3ビットデータ転送システムの構成回路図である。同図においてエンコーダ、デコーダは明示していないが、送信側のエンコーダは3個のインバータ25から25、および8個の3入力NANDゲート26から26によって構成され、また受信側のデコーダは6個の4入力NANDゲート27から27によって構成される。
図9は、このエンコーダ側の8個の3入力NANDゲート26から26に対する入力信号と出力信号との関係の説明図である。図8においても3個のインバータ25から25によってそれぞれ入力信号の反転信号Ax[0]、Ax[1]、およびAx[2]が出力され、必要に応じて8個の3入力NANDゲート26から26に対して与えられる。
図9の第1行は、NANDゲート26に対する入力信号と出力信号の関係を示し、3つの入力信号は全て受信側に転送すべきデータの反転信号であり、出力信号はB[0]である。
図9の第2行から第8行は、NANDゲート26から26までに対する入力信号と出力信号との関係を示し、このような関係によって長距離配線22上の信号は、図6で説明した2ビットの場合と同様に、10進数で0から7に対応するデータに対応して、B[0]からB[7]までの8個の信号のうちの1個だけが“0”、他の7個が“1”となり、転送すべきデータの値が変化するとその“0”の値が“1”に変化し、他の7個の“1”のうちの1個が“0”に変化することになる。
図10は、図8におけるデコーダ側の6個の4入力NANDゲート27から27までに対する入力信号と出力信号との関係を示す。同図において第1行はC[0]の反転信号Cx[0]を出力するNANDゲート27に対する入力信号と出力信号との関係を示し、第2行から第6行はそれぞれNANDゲート27から27までに対する入力信号と出力信号との関係を示す。
図11は、第1の実施例における4ビットデータ転送システムの構成回路図である。同図において送信側のエンコーダ、受信側のデコーダは明示していないが、エンコーダは4個のインバータ35から35、16個の4入力NANDゲート36から3615までによって構成され、受信側のデコーダは8個の8入力NANDゲート37から37までによって構成されている。
図12は、図11におけるエンコーダ側の16個の4入力NANDゲート36から3615までに対する入力信号と出力信号との関係を示す。このエンコーダの内部においても、4個のインバータ35から35までによって4ビットのデータA[0]からA[3]までの反転信号が出力され、必要に応じてNANDゲート36から3615までに与えられる。
図12の第1行は4入力NANDゲート36に対する入力信号と出力信号の関係を示し、入力信号としては4ビットのデータの全ての反転信号が与えられる。第2行から第16行までは、4入力NANDゲート36から3615までに対する入力信号と出力信号の関係を示す。
図13は、図11の受信側の8個の8入力NANDゲート37から37までに対する入力信号と出力信号との関係を示す。図11においては、図面が複雑となるため、各8入力NANDゲート37から37までに対する入力信号の接続を示していないが、各NANDゲート37から37までに図13の第1行から第8行までに示す入力信号を与えることによって、送信側からの転送データA[0]からA[3]までのデータと同一のデータC[0]からC[3]までと、それらの各データの反転データCx[0]からCx[3]までが出力される。
図14は、本発明の第2の実施例におけるデータ転送システムの構成回路図である。この第2の実施例では、送信信号としてパルス信号が与えられ、受信側では送信されるべきパルス信号と同じパルス信号が出力されるものとする。また送信側でエンコーダ50に与えられる信号は転送データの各ビットの信号に対する相補(差動)的な信号も入力されるものとし、例えば2ビットの転送データに対しては4本の信号が入力されるものとする。
図14においてエンコーダ50は、図3に示すエンコーダ10と異なって、2個のインバータを含まない構成となっているが、入力信号として反転信号が与えられているために、4個の2入力NANDゲート56から56までに対する入力信号と出力信号の関係は、図3における4個のNANDゲート16から16までに対すると実質的に同一であり、また受信側のデコーダ51の内部の4個のNANDゲート57から57までに対する入力信号と出力信号の関係は、図3におけるNANDゲート17から17までに対すると同一である。なお図14における送信パルスと受信パルスとの関係などについては次の図15で説明する。
図15は、図14の第2の実施例に対する真理値表である。同図において、図14のエンコーダ50への4本の入力信号線のうち、10進数で0から3までの送信データに対応して、それぞれいずれか2本の信号線に対してポジ(正)パルスPが与えられるものとし、その他の2本の信号線の電位は“0”、すなわちLのままであるとする。
エンコーダ50へのこのような入力パルスに対応して、長距離配線52上の信号B[0]からB[3]までの信号線のうちで、0から3までの送信データに対応して、それぞれ1本だけにネガ(負)パルスNPが生じ、他の3本の信号線の電位は“1”、すなわちHとなる。ここでネガパルスNPは、ポジパルスPのパルス幅に相当する時間だけ電位が“1”から“0”、すなわちHからLとなるパルスである。
図14においては、エンコーダ50への4本の入力信号線のうち、A[1]とAx[0]とに対応する信号線にポジパルスが与えられている。このため、例えばNANDゲート56に対する2つの入力のうちAx[1]は“0”のままであり、もう一方の入力にAx[0]としてポジパルスが与えられても、出力B[0]の値は“1”のままとなる。NANDゲート56、56の出力としてのB[1]、B[3]の値も同様に“1”のままとなる。これに対してNANDゲート56に対しては2つの入力として同時にポジパルスが与えられる。それに対応して出力信号B[2]にはネガパルスが生じることになる。
受信側のデコーダ51に対しては、信号B[2]、すなわちネガパルスが、信号Cx[0]と信号C[1]とを出力するNANDゲート57と57のそれぞれ一方の入力に与えられるために、これらのNANDゲートから出力信号としてポジパルスが出力され、信号C[0]とCx[1]との値は共に“0”となる。
図16は、第2の実施例における消費電力削減効果の説明図である。まず、従来技術については、図14のように正転信号と、その信号と相補的な信号とをそのまま受信側に送るものとすると、1ビットに対するA[0]とAx[0]とのいずれかの値がパルスの送信に対応して変化する、この1ビット時の消費電力を“1”とすると、2ビットの場合はその2倍、nビットの場合はn倍となる。例えば2ビットの場合は2本、3ビットの場合は3本の信号線の電位が、パルス入力に対応してに変化する。
これに対して本発明においては、図15で説明したように転送すべきデータの値に対応して、各ビットのデータに変化があったときでも長距離配線B[0]からB[3]までのうちでネガティブパルスの発生する信号線は1本だけであり、このネガティブパルスにおいて電位が変化するときに、配線1本分の消費電力が必要となる。データのビット数が増えても、第1の実施例におけると同様にネガパルスの発生する長距離配線は1本だけとなり、消費電力は“1”のままとなり、従来技術に比べて消費電力の削減効果が大きくなる。
次に第3の実施例について説明する。第3の実施例はスタティック・ランダム・アクセス・メモリ(SRAM)に対するデータの書き込みと読み出しに対して、第2の実施例のデータ転送システムを応用したものである。図17は、そのようなSRAMに対するデータの読み書き回路の回路図である。同図において読み書き回路は、セル60、プリチャージ回路+コラムスイッチ61、センスアンプ62、読み出しデータ送出回路63、書き込みデータ送出回路64に加えて、ライト用グローバルビット線65、リード用グローバルビット線66を備えている。ライト用グローバルビット線65は、ブロック分割されたRAMの各ブロックに対して書き込みデータ送出回路64からの書き込みデータを送るための信号線であり、リード用グローバルビット線66は読み出しデータ送出回路63によって各ブロックから読み出されたデータを外部に送るための信号線である。
図18は、図17で説明したSRAMが、1ビットではなく複数ビットのものであるときに、それに対応するSRAMの読み書き回路におけるライト用グローバルビット線とリード用グローバルビット線の説明図である。ここではビット数がnビットの場合の図を示しており、ライト用グローバルビット線としてビット0用の65からビット(n−1)用の65n−1までを備えており、またリード用グローバルビット線として66から66n−1までを備えている。
第3の実施例では、図18で説明したように複数ビットのSRAMに対するライト用グローバルビット線、および/またはリード用グローバルビット線としてそれぞれ2本の信号線を用いる代わりに、図14における長距離配線52を用いることによって、データの書き込み、および/または読み出しに必要な消費電力を大幅に削減することが可能となる。
第3の実施例では、図18の各ビットに対するそれぞれ2本のライト用グローバルビット線、リード用グローバルビット線に代わって必要となる長距離配線の数が増え、配線に必要な面積は大きくなるが、一般にRAMの面積はセルのサイズによって決定され、配線本数を増やしてもRAMのサイズはそれほど大きくならない場合が多く、第3の実施例を用いることによって消費電力削減効果の非常に大きいSRAMを提供することが可能となる。
以上に述べたように、本発明の実施形態では、n本の信号線上のデータを送信側と受信側との間で転送するものであり、送信側と受信側との間に2本のデータ転送用信号線を備える。例えば3ビットのデータを転送する場合には8本のデータ転送用信号線が備えられる。 また、送信側に、n本の信号線に与えられるデータの入力に対して、2本のデータ転送用信号線のうちで、そのデータに対応する1本の信号線のみに低電位(L)の信号を、他の全ての信号線に高電位(H)の信号を出力するエンコーダを備え、またデータ受信側に、そのエンコーダから出力された信号の入力に対して、送信側でn本の信号線に与えられたデータと同一のデータをn本の信号線に出力するデコーダを備える。
また、データ転送システムは、2本を1組とし、n組の信号に対応する2n本の信号線上のパルス信号を転送するものであり、送信側と受信側との間に2本のデータ転送用信号線を備える。このデータ転送システムにおいて、データの送信側に、相補的な2本の信号線を1組として、それぞれのn組の信号線2本のうちどちらか1本の信号線に正パルスが与えられた時、2本のデータ転送用信号線のうちで、正パルスが与えられた前述の信号線に対応する1本のデータ転送用信号線に、正パルスのパルス幅に対応して電位が高(H)から低(L)に変化するパルスを出力するエンコーダを備え、データの受信側に、そのエンコーダから出力された信号の送信に対応して、2n本の出力信号線のうちで送信側で正パルスが与えられたそれぞれの信号線に対応する各信号線に正パルスを出力するデコーダを備える。
以上の説明においては、本発明の実際的な応用例として、SRAMに対するデータ読み書き回路への応用例を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されることなく、基板上の配線を含めて、各種の応用分野に適用できることは当然である。

Claims (8)

  1. n本の送信信号線を有するデータ送信側とn本の受信信号線を有するデータ受信側との間に、2本のデータ転送用信号線と、
    前記データ送信側に、nビットの送信データを、2 ビットの転送データにエンコードするエンコーダと、
    前記データ受信側に、前記2 ビットの転送データを、nビットの受信データにデコードするデコーダと、
    を有し、
    前記データ転送用信号線のうちの1本の信号線に第1状態の信号を出力し、前記1本の信号線を除く他の信号線に第2状態の信号を出力するよう、前記nビットの送信データを前記エンコーダによりエンコードし、前記nビットの送信データを前記データ転送用信号線で転送することを特徴とするデータ転送システム。
  2. 前記エンコーダがn個のインバータと、2個のNANDゲートとを備えることを特徴とする請求項記載のデータ転送システム。
  3. 前記デコーダは、前記エンコーダから2本のデータ転送用信号線に出力された信号の入力に対応して、前記データ送信側で前記n本の送信信号線に与えられたデータと同一のデータを前記n本の受信信号線に出力することを特徴とする請求項1又は2に記載のデータ転送システム。
  4. 前記デコーダが少なくともn個のNANDゲートを備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載のデータ転送システム。
  5. 前記デコーダがさらにn個のNANDゲートを備え、
    合計2n個のNANDゲートのうちのn個が前記データ受信側における前記n本の受信信号線上に前記同一のデータを出力し、
    残りのn個のNANDゲートが前記n本の受信信号線上に出力されるデータをそれぞれ反転させたデータを出力するためのさらに前記n本の受信信号線に該反転データを出力することを特徴とする請求項記載のデータ転送システム。
  6. 2本を1組とし、n組の信号に対応する2n本の信号線上のパルス信号を送信するデータ送信側と受信するデータ受信側との間に、2本のデータ転送用信号線と、
    前記データ送信側に、nビットの送信データを、2 ビットの転送データにエンコードするエンコーダと、
    前記データ受信側に、前記2 ビットの転送データを、nビットの受信データにデコードするデコーダと、
    を有し、
    前記データ転送用信号線のうちの1本の信号線に第1状態の信号を出力し、前記1本の信号線を除く他の信号線に第2状態の信号を出力するよう、前記nビットの送信データを前記エンコーダによりエンコードし、前記nビットの送信データを前記データ転送用信号線で転送することを特徴とするデータ転送システム。
  7. 前記エンコーダが、前記2n本のうちの1本以上の信号線に正パルスが与えられた時、前記2本のデータ転送用信号線のうちで、該正パルスが与えられた1本以上の信号線に対応する1本のみの信号線に、前記正パルスのパルス幅に対応して電位が高電位から低電位に変化するパルスを出力することを特徴とする請求項記載のデータ転送システム。
  8. 前記デコーダが、前記エンコーダから2本のデータ転送用信号線に出力された信号の入力に対応して、2n本の出力信号線のうちで前記データ送信側で正パルスが与えられた1本以上の信号線に対応する各信号線に正パルスを出力することを特徴とする請求項記載のデータ転送システム。
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