JPH0644134A - Comparator - Google Patents

Comparator

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JPH0644134A
JPH0644134A JP4076479A JP7647992A JPH0644134A JP H0644134 A JPH0644134 A JP H0644134A JP 4076479 A JP4076479 A JP 4076479A JP 7647992 A JP7647992 A JP 7647992A JP H0644134 A JPH0644134 A JP H0644134A
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bit
drain
input signal
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Abstract

PURPOSE:To provide a comparator which is suitable for a cache memory and a translation look-aside buffer, which are incorporated in a semiconductor integrated circuit, and realizes a high speed operation with small hardware quantity. CONSTITUTION:An XOR circuit 102 and an XNOR circuit 101 where a pair of bit lines 111 and 112, and a pair of comparison input lines 113 and 114 are set to be inputs are composed of path transistor logical circuits. They are arranged between the collectors and bases of the NPN transistors 103 and 104 of bipolar differential sense circuits, and the potential of load resistances 106 and 107 is set to be the output of the comparator. The saturation preventing circuit of a bipolar transistor can be realized with small hardware quantity by simultaneously executing a comparison operation and a read operation with such constitution.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロプロセッサの
キャッシュメモリやトランスレーションルックアサイド
バッファ(TLB)で用いられる高速な比較器に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high speed comparator used in a cache memory or a translation lookaside buffer (TLB) of a microprocessor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、マイクロプロセッサにおいて、キ
ャッシュメモリのタグや、TLBで、多ビットの比較器
が使われる。図6はキャッシュメモリのタグ部の従来例
を示したもので、24ビットの比較器の構成を示してい
る。601はタグメモリで、デコーダ602によりアド
レスPA610がデコードされ、ワード線WL611が
高電位(以下”H”と略記する)になると、そのワード
線によって選択されたメモリセルアレイのデータがビッ
ト線対に出力される。センスイネーブルSEN612
が”H”になるとセンス回路603によりタグメモリか
らのデータがアドレスB[23:0]として読み出され
る。中央処理ユニット(CPU)からのアドレスA[2
3:0]613とB[23:0]は、イクスクルーシブ
ノア(XNOR、排他的論理和の論理反転)ゲートから
なる一致回路604で各ビット毎に一致/不一致が検出
され、AND回路605によって全ビットの一致/不一
致が判定される。614はヒット信号HITで、全ビッ
トが一致したときに”H”、少なくとも1ビット以上が
不一致の場合に低電位(以下”L”と略記する)とな
る。キャッシュメモリのRAM部はこのヒット信号を用
いてデータの入出力を制御する。なお、606はプリチ
ャージ/イコライズ回路で、タグメモリの非アクセス時
にプリチャージイネーブルPCEN615、イコライズ
イネーブルEQEN616の制御により、ビット線対の
プリチャージとイコライズをする。読み出しとプリチャ
ージ/イコライズの高速化のため、NチャネルMOSF
ETをプリチャージ回路に使用している。また607は
データW[23:0]618の書き込み回路で、書き込
みイネーブルWEN617によって制御される。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a microprocessor, a cache memory tag or a TLB is used with a multi-bit comparator. FIG. 6 shows a conventional example of the tag portion of the cache memory, and shows the configuration of a 24-bit comparator. 601 is a tag memory, and when the address PA 610 is decoded by the decoder 602 and the word line WL 611 becomes a high potential (hereinafter abbreviated as “H”), the data of the memory cell array selected by the word line is output to the bit line pair. To be done. Sense enable SEN612
Becomes "H", the sense circuit 603 reads the data from the tag memory as the address B [23: 0]. Address A [2 from central processing unit (CPU)
3: 0] 613 and B [23: 0] are matched / mismatched for each bit by a matching circuit 604 including an exclusive NOR gate (XNOR, logical inversion of exclusive OR), and the AND circuit 605. It is determined whether all bits match or do not match. A hit signal HIT 614 is "H" when all the bits match, and has a low potential (hereinafter abbreviated as "L") when at least one bit does not match. The RAM section of the cache memory uses this hit signal to control the input / output of data. A precharge / equalize circuit 606 precharges and equalizes the bit line pair by controlling the precharge enable PCEN 615 and the equalize enable EQEN 616 when the tag memory is not accessed. N-channel MOSF for faster read and precharge / equalization
ET is used in the precharge circuit. A write circuit 607 for writing the data W [23: 0] 618 is controlled by the write enable WEN617.

【0003】センス回路603には、メモリ回路の高速
読み出しの実現のため、高い相互コンダクタンス(g
m)を有するバイポーラトランジスタを用いた差動型セ
ンス回路が用いられる。図7に差動型センス回路の構成
例を示す。701、702はビット線B711、NB7
12を入力とするエミッタフォロア回路、703、70
4は差動型センス回路を構成するNPNトランジスタ、
705は電流スイッチ用NチャネルMOSFETで、セ
ンスイネーブル信号715が”H”のときのみ動作し、
定電流源として動作する。706、707は差動型セン
ス回路の負荷抵抗、716は出力データ線である。
The sense circuit 603 has a high transconductance (g) for realizing high-speed reading of the memory circuit.
m) is used for the differential sense circuit. FIG. 7 shows a configuration example of the differential sense circuit. 701 and 702 are bit lines B711 and NB7
An emitter follower circuit having 12 as inputs, 703, 70
4 is an NPN transistor that constitutes a differential sense circuit,
Reference numeral 705 denotes an N-channel MOSFET for current switch, which operates only when the sense enable signal 715 is "H",
Operates as a constant current source. Reference numerals 706 and 707 are load resistances of the differential sense circuit, and 716 is an output data line.

【0004】一般に、バイポーラトランジスタで構成し
た回路は入力インピーダンスが低く、またバイポーラト
ランジスタが飽和すると大きなベース電流が流れて、ベ
ースに接続された回路、すなわちビット線の負荷が大き
くなる。そのため、メモリの読み出し時に”H”側のビ
ット線でもかなり電位が下がり、電源線、接地線に大き
な雑音が混入すると、メモリセルに誤ったデータを書き
込むおそれがある。この回避方法として、図7の70
1、702で示した高入力インピーダンス、低出力イン
ピーダンス、高電流利得の特徴を持つエミッタフォロア
回路が用いられ、ビット線負荷を小さくしている。さら
に、ビット線電位よりもベース・エミッタ間の内蔵電位
Vbeだけ下げた電位が、差動型センス回路のNPNト
ランジスタのベースに入力されるため、差動型センス回
路のNPNトランジスタの飽和を起こりにくくしてい
る。
In general, a circuit composed of bipolar transistors has a low input impedance, and when the bipolar transistor is saturated, a large base current flows, so that a circuit connected to the base, that is, a bit line has a large load. Therefore, when the memory is read, the potential of the bit line on the “H” side is considerably lowered, and if a large amount of noise is mixed in the power supply line and the ground line, there is a possibility that incorrect data may be written in the memory cell. As a method for avoiding this, 70 in FIG.
The emitter follower circuit having the features of high input impedance, low output impedance, and high current gain shown by reference numerals 1 and 702 is used to reduce the bit line load. Furthermore, since the potential lower than the bit line potential by the internal potential Vbe between the base and the emitter is input to the base of the NPN transistor of the differential sense circuit, the NPN transistor of the differential sense circuit is less likely to be saturated. is doing.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、ヒ
ット信号の生成までに、1)タグ部の読み出し、2)タ
グから読み出したアドレスB[23:0]とCPUから
のアドレスA[23:0]とのビット毎の一致/不一致
の判定、3)全ビットの一致/不一致の判定の3つの動
作が必要となる。そのため、タグ部の読み出しからヒッ
ト信号の生成までに時間がかかるという問題点があっ
た。特に、2)、3)では、多ビットの情報を1ビット
信号に圧縮するためゲート段数が増加し、遅延時間が大
きくなるという問題点があった。
In the above prior art, by the time the hit signal is generated, 1) the reading of the tag section, 2) the address B [23: 0] read from the tag and the address A [23: from the CPU. 0], it is necessary to perform three operations: determination of match / mismatch for each bit, and 3) determination of match / mismatch of all bits. Therefore, there is a problem that it takes time from the reading of the tag portion to the generation of the hit signal. Particularly, in 2) and 3), since the multi-bit information is compressed into a 1-bit signal, there is a problem that the number of gate stages increases and the delay time increases.

【0006】またエミッタフォロア回路の付加のため、
バイポーラトランジスタの数が増加し、センス回路の面
積が大きくなる。周辺に素子分離領域の必要なバイポー
ラトランジスタは、微細化が進んでもMOSFETほど
面積が縮小できず、メモリセルとセンス回路の面積の整
合性が取れなくなる。そのため、多ビット同時読み出し
が必要なタグメモリやTLBでは、面積の大きなセンス
回路を各ビット毎に設けられないという問題点があっ
た。
Further, since an emitter follower circuit is added,
The number of bipolar transistors increases and the area of the sense circuit increases. A bipolar transistor requiring an element isolation region on the periphery cannot be reduced in area as much as a MOSFET even if miniaturization progresses, and the area matching between the memory cell and the sense circuit cannot be obtained. Therefore, in a tag memory or TLB that requires simultaneous multi-bit reading, there is a problem in that a sense circuit having a large area cannot be provided for each bit.

【0007】本発明は上記課題を解決するものであり、
センス機能と比較機能を併せ持った高速でかつ小さなハ
ードウェア量の比較器を提供することを目的とする。
The present invention is to solve the above problems,
It is an object of the present invention to provide a high-speed and small hardware amount comparator having both a sense function and a comparison function.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題の解決のため本
発明は、第1の入力信号線対の一方がゲートに接続され
た第1のMOSFETと、第2の入力信号線対の一方が
ゲートに接続されかつドレインに前記第1のMOSFE
Tのソースが接続された第2のMOSFETと、前記第
1の入力信号線対の他方がゲートに接続されかつドレイ
ンに前記第1のMOSFETのドレインが接続された第
3のMOSFETと、前記第2の入力信号線対の他方が
ゲートに接続されかつドレインに前記第3のMOSFE
Tのソースが接続されかつソースに前記第2のMOSF
ETのソースが接続された第4のMOSFETと、前記
第1の入力信号線対の一方がゲートに接続された第5の
MOSFETと、前記第2の入力信号線対の他方がゲー
トに接続されかつドレインに前記第5のMOSFETの
ソースが接続された第6のMOSFETと、前記第1の
入力信号線対の他方がゲートに接続されかつドレインに
前記第5のMOSFETのドレインが接続された第7の
MOSFETと、前記第2の入力信号線対の一方がゲー
トに接続されかつドレインに前記第7のMOSFETの
ソースが接続されかつソースに前記第6のMOSFET
のソースが接続された第8のMOSFETと、コレクタ
が前記第1のMOSFETのドレインに接続されかつベ
ースが前記第2のMOSFETのソースに接続された第
1のNPNトランジスタと、コレクタが前記第5のMO
SFETのドレインに接続されかつベースが前記第6の
MOSFETのソースに接続されかつエミッタが前記第
1のNPNトランジスタのエミッタに接続された第2の
NPNトランジスタと、活性化信号の信号線がゲートに
接続されかつドレインが前記第1のNPNトランジスタ
のエミッタに接続されかつソースが接地線に接続された
電流スイッチ用MOSFETと、電源線と前記第1のN
PNトランジスタのコレクタとの間を接続する第1の負
荷抵抗と、電源線と前記第2のNPNトランジスタのコ
レクタとの間を接続する第2の負荷抵抗と、前記第1の
NPNトランジスタのコレクタまたは前記第2のNPN
トランジスタのコレクタに接続された出力線とを備えた
ことを特徴とする比較器である。
In order to solve the above problems, the present invention provides a first MOSFET in which one of the first input signal line pair is connected to the gate and one of the second input signal line pair. The first MOSFE connected to the gate and to the drain
A second MOSFET to which the source of T is connected; a third MOSFET to which the other of the first input signal line pair is connected to the gate and a drain of which is connected to the drain of the first MOSFET; The other of the two input signal line pairs is connected to the gate, and the third MOSFE is connected to the drain.
The source of T is connected and the source of said second MOSF
A fourth MOSFET to which the source of ET is connected, a fifth MOSFET to which one of the first input signal line pair is connected to the gate, and the other of the second input signal line pair to the gate A sixth MOSFET having the drain connected to the source of the fifth MOSFET, and a sixth MOSFET having the other of the first input signal line pair connected to the gate and the drain connected to the drain of the fifth MOSFET. 7 MOSFET and one of the second input signal line pair is connected to the gate, the drain is connected to the source of the seventh MOSFET, and the source is the sixth MOSFET.
An eighth MOSFET having a source connected thereto, a first NPN transistor having a collector connected to the drain of the first MOSFET and a base connected to the source of the second MOSFET, and a collector connected to the fifth MOSFET. MO
A second NPN transistor connected to the drain of the SFET, the base of which is connected to the source of the sixth MOSFET, and the emitter of which is connected to the emitter of the first NPN transistor, and the signal line of the activation signal to the gate. A current switch MOSFET having a drain connected to the emitter of the first NPN transistor and a source connected to a ground line, a power supply line and the first N
A first load resistor connected between the collector of the PN transistor, a second load resistor connected between the power supply line and the collector of the second NPN transistor, and a collector of the first NPN transistor, or The second NPN
And a output line connected to the collector of the transistor.

【0009】第2の発明では、上記1ビット比較器をn
個備え、各出力線をワイヤードオア接続し、メモリ回路
のnビットのビット線対と第1のnビット入力とを比較
するnビット比較器を構成する。
In the second invention, the 1-bit comparator is n
Each of the output lines is connected in a wired-OR connection, and an n-bit comparator for comparing the n-bit bit line pair of the memory circuit with the first n-bit input is configured.

【0010】[0010]

【作用】本発明の第1では、ビット線対と比較入力線対
を入力とするイクスクルーシブオア回路(XOR回路、
排他的論理和回路)とイクスクルーシブノア回路(XN
OR回路、排他的論理和の否定回路)をMOSFETの
パストランジスタ論理回路で生成し、このオン・オフで
差動型センス回路のNPNトランジスタにベース電流の
供給を行う。一致・不一致に応じて負荷抵抗での電圧降
下の有無が決まり、出力線電位が変化する。また、NP
Nトランジスタのベース電位はパストランジスタ論理回
路のMOSFETでコレクタ電位以下にクランプされる
ため、NPNトランジスタの飽和を防いで、ビット線電
位の低下によるメモリの誤動作を防止している。このよ
うに、差動型センス回路と比較器を融合し、読み出しと
比較を同時に実行することにより、読み出し/比較の時
間を短縮している。
According to the first aspect of the present invention, an exclusive OR circuit (XOR circuit, which receives a bit line pair and a comparison input line pair as inputs,
Exclusive OR circuit) and exclusive NOR circuit (XN
An OR circuit, an exclusive OR negation circuit) is generated by a MOSFET pass transistor logic circuit, and a base current is supplied to the NPN transistor of the differential sense circuit by turning it on and off. Whether or not there is a voltage drop across the load resistance is determined according to the match / mismatch, and the output line potential changes. Also, NP
Since the base potential of the N-transistor is clamped below the collector potential by the MOSFET of the pass-transistor logic circuit, saturation of the NPN transistor is prevented and malfunction of the memory due to reduction of the bit line potential is prevented. In this way, the differential type sense circuit and the comparator are integrated and the reading and comparing are executed at the same time, thereby shortening the reading / comparing time.

【0011】第2の発明では、上記1ビット比較器をn
個備え、各出力線をワイヤードオア接続しているため、
それぞれの入力信号の1ビットでも不一致な場合は出力
線電位が”L”に低下するが、すべて一致する場合は出
力線電位は”H”になる。この構成により、多入力の一
致を判定する論理回路が不要になるため、高速に一致/
不一致が検出できる。
In the second invention, the 1-bit comparator is n
Since it is equipped with one and each output line is wired or connected,
If even one bit of each input signal does not match, the output line potential drops to "L", but if all match, the output line potential becomes "H". This configuration eliminates the need for a logic circuit that determines the coincidence of multiple inputs, so that the coincidence / high-speed
Mismatch can be detected.

【0012】[0012]

【実施例】【Example】

(実施例1)以下、具体例について詳細に述べる。図1
は、第1の発明の一実施例であるキャッシュメモリの比
較器の中の1ビット比較器を示した図である。タグメモ
リから読み出したアドレス中の1ビットとCPUからの
アドレス中の1ビットを比較する。
(Example 1) Hereinafter, a specific example will be described in detail. Figure 1
FIG. 3 is a diagram showing a 1-bit comparator in a comparator of a cache memory which is an embodiment of the first invention. The 1 bit in the address read from the tag memory is compared with the 1 bit in the address from the CPU.

【0013】図1において、101はビット線対B11
1、NB112とアドレス入力線A113とアドレス入
力信号の論理反転信号NA114を入力とするNチャネ
ルMOSFETのパストランジスタ論理回路で構成した
XNOR回路、102はB111、NB112、A11
3、NA114を入力とするNチャネルMOSFETの
パストランジスタ論理回路で構成したXOR回路、10
3、104は差動型センス回路を構成するNPNトラン
ジスタで、コレクタとベースがXNOR回路101、X
OR回路102のドレイン出力線に接続されている。1
05は電流スイッチ用NチャネルMOSFETで、セン
スイネーブル信号EN115が”H”のときにのみオン
し、差動型センス回路の定電流源として動作する。10
6、107は差動型センス回路の負荷抵抗、116は出
力HITの出力線である。
In FIG. 1, 101 is a bit line pair B11.
1, NB112, an address input line A113, and an XNOR circuit composed of a pass transistor logic circuit of an N-channel MOSFET that receives a logical inversion signal NA114 of an address input signal as input, 102 is B111, NB112, A11
3, XOR circuit composed of N-channel MOSFET pass transistor logic circuit with NA114 as input, 10
Reference numerals 3 and 104 denote NPN transistors that form a differential sense circuit, and have collectors and bases of XNOR circuits 101 and X.
It is connected to the drain output line of the OR circuit 102. 1
Reference numeral 05 denotes an N-channel MOSFET for current switch, which is turned on only when the sense enable signal EN115 is "H" and operates as a constant current source of the differential sense circuit. 10
Reference numerals 6 and 107 are load resistances of the differential sense circuit, and 116 is an output line of the output HIT.

【0014】図1の1ビット比較器の動作を、図2に示
した動作タイミング図をもとに説明する。図2におい
て、図1の信号線番号に対応する電位波形は同一の番号
を記してある。
The operation of the 1-bit comparator of FIG. 1 will be described with reference to the operation timing chart shown in FIG. In FIG. 2, potential waveforms corresponding to the signal line numbers in FIG. 1 have the same numbers.

【0015】1)不一致の場合 アドレス入力線A113には”L”、アドレス反転信号
の入力線NA114には”H”が出力されている。ワー
ド線が開き、ビット線B111に”H”、NB112
に”L”が出力される。この場合、パストランジスタ論
理回路で構成したXNOR回路101がオフ、XOR回
路102がオンし、NPNトランジスタ104にベース
電流が供給される。センスイネーブル信号EN115
が”H”になると差動型センス回路は動作を開始し、N
PNトランジスタ104のコレクタ電流が流れる。負荷
抵抗107に電圧降下が発生するため、出力線116の
電位は”L”になる。なお出力電位は、負荷抵抗とMO
SFETおよびNPNトランジスタの抵抗成分で分圧さ
れた値になるが、論理しきい値を電源電位の2分の1よ
りも上にずらしたインバータ回路などを用いれば、不一
致時の出力線電位の変化を外部に出力することができ
る。
1) When they do not match "L" is output to the address input line A113 and "H" is output to the address inversion signal input line NA114. Word line opens, bit line B111 is "H", NB112
"L" is output to. In this case, the XNOR circuit 101 configured by the pass transistor logic circuit is turned off, the XOR circuit 102 is turned on, and the base current is supplied to the NPN transistor 104. Sense enable signal EN115
Becomes "H", the differential sense circuit starts operating and N
The collector current of the PN transistor 104 flows. Since a voltage drop occurs in the load resistor 107, the potential of the output line 116 becomes "L". The output potential depends on the load resistance and MO
Although it becomes a value divided by the resistance component of the SFET and NPN transistor, if an inverter circuit in which the logical threshold value is shifted above ½ of the power supply potential is used, the change in the output line potential at the time of disagreement Can be output to the outside.

【0016】2)一致の場合 アドレス入力線A113には”H”、アドレス反転信号
の入力線NA114には”L”が出力されている。ワー
ド線が開き、ビット線B111に”H”、NB112
に”L”が出力される。この場合、パストランジスタ論
理回路で構成したXNOR回路101がオン、XOR回
路102がオフする。センスイネーブル信号EN115
が”H”になると差動型センス回路は動作を開始し、寄
生容量の放電による電流が過渡的に流れ、出力線HIT
116の電位がやや低下する。しかし、XOR回路10
2がオフしているためNPNトランジスタ104にはベ
ース電流が供給されず、定常的なコレクタ電流パスがな
い。初期放電が終了すると出力線HIT116の電位は
これ以上下がらず、負荷抵抗107によって再度電源電
位VDDまで引き上げられる。
2) In case of coincidence "H" is output to the address input line A113 and "L" is output to the address inversion signal input line NA114. Word line opens, bit line B111 is "H", NB112
"L" is output to. In this case, the XNOR circuit 101 configured by the pass transistor logic circuit is turned on and the XOR circuit 102 is turned off. Sense enable signal EN115
The differential sense circuit starts its operation when the voltage goes to "H", and the current due to the discharge of the parasitic capacitance transiently flows, and the output line HIT
The potential of 116 drops slightly. However, the XOR circuit 10
Since 2 is off, the base current is not supplied to the NPN transistor 104, and there is no steady collector current path. When the initial discharge is completed, the potential of the output line HIT116 does not drop further, and the load resistance 107 raises the potential to the power supply potential VDD again.

【0017】以上の実施例で示したように、本発明では
パストランジスタ論理回路でXOR回路とXNOR回路
を実現し、差動型センス回路と組み合わせて比較器を構
成している。このようにセンス回路と比較器を融合し、
読み出しと比較を同時に実行することにより、読み出し
/比較の時間を短縮することができる。また、MOSF
ETを介してNPNトランジスタのベース電流を供給す
るため、差動型センス回路の入力インピーダンスが高く
なり、”H”側ビット線電位の低下は起こらず、雑音に
よる誤動作のおそれははない。さらに、NPNトランジ
スタ103、104のベース電位はパストランジスタ論
理回路の直列MOSFETの電位でコレクタ電位以下に
クランプされており、大面積が必要なエミッタフォロア
回路を用いなくても、小さな面積のMOSFETでNP
Nトランジスタの飽和防止回路が実現できる。以上のよ
うに、本発明によれば、多ビット同時読み出しが必要な
キャッシュメモリのタグ部やTLBなどの高速な比較器
を、小さな面積で容易に実現できる。
As shown in the above embodiments, in the present invention, the XOR circuit and the XNOR circuit are realized by the pass transistor logic circuit, and the comparator is constructed by combining with the differential type sense circuit. In this way, the sense circuit and the comparator are combined,
By simultaneously executing the read and the comparison, the read / comparison time can be shortened. Also, MOSF
Since the base current of the NPN transistor is supplied via ET, the input impedance of the differential sense circuit becomes high, the potential of the "H" side bit line does not drop, and there is no risk of malfunction due to noise. Further, the base potentials of the NPN transistors 103 and 104 are clamped below the collector potential by the potential of the series MOSFET of the pass transistor logic circuit, and even if the emitter follower circuit, which requires a large area, is not used, the NP can be formed with a small area MOSFET.
An N-transistor saturation prevention circuit can be realized. As described above, according to the present invention, it is possible to easily realize a high-speed comparator such as a tag portion of a cache memory or a TLB that requires simultaneous multi-bit reading in a small area.

【0018】(実施例2)図3は、第1の発明の第2の
実施例であるキャッシュメモリの比較器の中の1ビット
比較器を示した図である。タグメモリから読み出したア
ドレス中の1ビットとCPUからのアドレス中の1ビッ
トを比較する。
(Embodiment 2) FIG. 3 is a diagram showing a 1-bit comparator in a comparator of a cache memory according to a second embodiment of the first invention. The 1 bit in the address read from the tag memory is compared with the 1 bit in the address from the CPU.

【0019】この実施例は、PチャネルMOSFETで
パストランジスタ論理回路のXNOR回路301とXO
R回路302を構成した例である。この場合も、図1の
1ビット比較器と同様に、ビット線対B111、NB1
12とアドレス入力線対A113、NA114の電位が
一致したときにNPNトランジスタ104にはベース電
流が供給されず、不一致のときにのみNPNトランジス
タ104にベース電流が供給される。従って、図1の1
ビット比較器と同様の動作をする。また、PチャネルM
OSFETはコレクタのN型不純物領域に形成すること
ができるため、NPNトランジスタとPチャネルMOS
FET間との素子分離領域が不用になるため、セル面積
の縮小に効果がある。なお、メモリセルの内容がビット
線対に出力されても、ビット線対・コレクタ間電圧がP
チャネルMOSFETのしきい値電圧Vtを超えないか
ぎり、つまり、Vbc=Vgs≧Vt(Vbはビット線
対のどちらかの電位、Vcはコレクタ電位、VgsはP
チャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧)が満た
されないかぎり、ビット線対をゲート入力とするPチャ
ネルMOSFETは動作条件を満足せず比較器は動作し
ない。ビット線をVDDまでプリチャージするとこの非
動作時間が長くなるが、比較の高速化のためには、プリ
チャージ電位をVDD−Vt以下に下げておけばよい。
In this embodiment, a P-channel MOSFET is used as the XNOR circuit 301 and XO of the pass transistor logic circuit.
This is an example of configuring the R circuit 302. Also in this case, the bit line pair B111, NB1 is also used as in the 1-bit comparator of FIG.
When the potentials of 12 and the address input line pair A113, NA114 match, the base current is not supplied to the NPN transistor 104, and only when they do not match, the base current is supplied to the NPN transistor 104. Therefore, 1 in FIG.
Operates in the same way as the bit comparator. Also, P channel M
Since the OSFET can be formed in the N-type impurity region of the collector, the NPN transistor and the P-channel MOS are formed.
Since the element isolation region between the FETs is unnecessary, it is effective in reducing the cell area. Even if the contents of the memory cell are output to the bit line pair, the voltage between the bit line pair and the collector is P
As long as the threshold voltage Vt of the channel MOSFET is not exceeded, that is, Vbc = Vgs ≧ Vt (Vb is either potential of the bit line pair, Vc is collector potential, Vgs is P
Unless the gate-source voltage of the channel MOSFET is satisfied, the P-channel MOSFET having the bit line pair as the gate input does not satisfy the operating condition and the comparator does not operate. If the bit line is precharged to VDD, this non-operation time becomes long, but in order to speed up the comparison, the precharge potential may be lowered to VDD-Vt or lower.

【0020】以上の実施例で示したように、本発明では
パストランジスタ論理回路でXOR回路とXNOR回路
を実現し、差動型センス回路と組み合わせて比較器を構
成している。このようにセンス回路と比較器を融合し、
読み出しと比較を同時に実行することにより、読み出し
/比較の時間を短縮することができる。また、MOSF
ETを介してNPNトランジスタのベース電流を供給す
るため、差動型センス回路の入力インピーダンスが高く
なり、雑音による誤動作のおそれがなく、また小面積の
MOSFETでバイポーラトランジスタの飽和防止回路
が構成できる。以上のように、本発明によれば、多ビッ
ト同時読み出しが必要なキャッシュメモリのタグ部やT
LBなどの高速な比較器を、小さな面積で容易に実現で
きる。
As shown in the above embodiments, in the present invention, the XOR circuit and the XNOR circuit are realized by the pass transistor logic circuit, and the comparator is constructed by combining with the differential type sense circuit. In this way, the sense circuit and the comparator are combined,
By simultaneously executing the read and the comparison, the read / comparison time can be shortened. Also, MOSF
Since the base current of the NPN transistor is supplied via ET, the input impedance of the differential type sense circuit is increased, there is no fear of malfunction due to noise, and the saturation prevention circuit of the bipolar transistor can be configured with a small area MOSFET. As described above, according to the present invention, the tag portion and T
A high-speed comparator such as LB can be easily realized in a small area.

【0021】(実施例3)図4は、第2の発明の一実施
例であるキャッシュメモリのタグ部を示したものであ
る。上記1ビット比較器を24個備え、各出力線をワイ
ヤードオア接続することにより24ビット比較器を構成
する。
(Embodiment 3) FIG. 4 shows a tag portion of a cache memory according to an embodiment of the second invention. The 24 1-bit comparator is provided, and a 24-bit comparator is configured by connecting each output line by wired OR.

【0022】図4において、401はタグメモリで、デ
コーダ402によりアドレスPA410がデコードさ
れ、ワード線WL411が”H”になると、そのワード
線によって選択されたメモリセルアレイのデータがビッ
ト線対にアドレスB[23:0]として出力される。セ
ンスイネーブルSEN412が”H”になると、B[2
3:0]とCPUからのアドレスA[23:0]413
のビット毎の一致/不一致が1ビット比較器403で検
出される。この1ビット比較器403は実施例1叉は実
施例2で示したもので、センス回路と一致/不一致検出
回路を融合した構成をとる。また、各1ビット比較器の
出力線をワイヤードオア接続することにより24ビット
比較器404を構成している。各1ビット比較器では負
荷抵抗の電圧降下を出力電位として検出しているため、
各出力線のワイヤードオア接続が可能である。比較結果
が1ビットでも不一致な場合は出力線HIT414の電
位が”L”に低下するが、すべて一致する場合は出力線
HIT414は”H”のままである。なお、405はプ
リチャージ/イコライズ回路で、タグメモリの非アクセ
ス時に、プリチャージイネーブルPCEN415、イコ
ライズイネーブルEQEN416によってビット線対の
プリチャージとイコライズを行う。読み出しとビット線
のプリチャージ/イコライズの高速化のため、NPNト
ランジスタをプリチャージ回路に使用している。また4
06はデータW[23:0]418の書き込み回路で、
書き込みイネーブルWEN417によって制御される。
In FIG. 4, reference numeral 401 is a tag memory, and when the address PA410 is decoded by the decoder 402 and the word line WL411 becomes "H", the data of the memory cell array selected by the word line is addressed to the bit line pair at the address B. It is output as [23: 0]. When the sense enable SEN412 becomes “H”, B [2
3: 0] and the address A [23: 0] 413 from the CPU
The 1-bit comparator 403 detects the match / mismatch of each bit. This 1-bit comparator 403 is the one shown in the first embodiment or the second embodiment, and has a configuration in which a sense circuit and a match / mismatch detection circuit are integrated. Also, the 24-bit comparator 404 is configured by connecting the output lines of the 1-bit comparators by wired OR. Since each 1-bit comparator detects the voltage drop of the load resistance as the output potential,
Wired or connection of each output line is possible. The potential of the output line HIT414 is lowered to "L" when the comparison result does not match even one bit, but the output line HIT414 remains "H" when all match. A precharge / equalize circuit 405 precharges and equalizes the bit line pair by the precharge enable PCEN 415 and the equalize enable EQEN 416 when the tag memory is not accessed. An NPN transistor is used in the precharge circuit in order to speed up read and bit line precharge / equalization. Again 4
06 is a write circuit for writing the data W [23: 0] 418,
It is controlled by the write enable WEN417.

【0023】本実施例では、図6の従来例と異なり、各
ビット毎の一致/不一致判定信号の論理積を生成する多
入力のAND回路が不要になるため、ハードウェア量の
削減が可能である。さらに、AND回路の遅延時間の削
減により高速な一致/不一致の検出が可能である。
Unlike the conventional example shown in FIG. 6, the present embodiment does not require a multi-input AND circuit for generating a logical product of match / mismatch determination signals for each bit, so that the amount of hardware can be reduced. is there. Further, by reducing the delay time of the AND circuit, it is possible to detect a match / mismatch at high speed.

【0024】(実施例4)図5は、第2の発明の第2の
実施例で、物理アドレスアクセス方式のキャッシュメモ
リシステムを示していている。この実施例では、タグ部
で読み出した物理アドレスとTLBにより変換した物理
アドレスを、実施例3で示した多ビット比較器で比較し
ている。
(Embodiment 4) FIG. 5 is a second embodiment of the second invention and shows a physical address access type cache memory system. In this embodiment, the physical address read by the tag section and the physical address converted by TLB are compared by the multi-bit comparator shown in the third embodiment.

【0025】図5において、501はタグメモリで、C
PUからの論理アドレスPA511の一部のビットによ
ってあるワードが選択され、メモリセルアレイから物理
アドレスB[23:0]がビット線対に出力される。5
02はTLBの連想メモリ(CAM)部で、CAM部の
格納データのアドレスとPA511の一部のビットとが
一致した場合に、一致信号線ML512の中の1つが”
H”になり、TLBのRAM部503から物理アドレス
A[23:0]が出力される。504は実施例3に示し
た比較器で、センスイネーブルSEN513が”H”の
ときに2つの物理アドレスA[23:0]、B[23:
0]を比較する。2つの物理アドレスが一致すると出力
線HIT514は”H”、不一致の場合には”L”にな
る。なお、CAMおよびタグメモリで、論理アドレスP
Aの何ビットを使うかは、キャッシュメモリのセット数
やラインサイズに依存する。
In FIG. 5, 501 is a tag memory, which is C
A word is selected by a part of bits of the logical address PA511 from PU, and the physical address B [23: 0] is output from the memory cell array to the bit line pair. 5
Reference numeral 02 denotes the associative memory (CAM) unit of the TLB. When the address of the data stored in the CAM unit and a part of bits of the PA 511 match, one of the match signal lines ML512 is "
H ”, and the physical address A [23: 0] is output from the RAM unit 503 of the TLB. Reference numeral 504 denotes the comparator shown in the third embodiment, which has two physical addresses when the sense enable SEN513 is“ H ”. A [23: 0], B [23:
0] are compared. The output line HIT 514 becomes "H" when the two physical addresses match, and "L" when they do not match. In addition, in the CAM and the tag memory, the logical address P
How many bits of A are used depends on the number of cache memory sets and the line size.

【0026】本実施例では、ビット毎の一致/不一致判
定信号の論理積を生成する多入力のAND回路が不要な
ため、ハードウェア量の削減が可能である。さらに、A
ND回路の遅延時間の削減により高速な一致/不一致の
検出が可能である。
In the present embodiment, since the multi-input AND circuit for generating the logical product of the match / mismatch determination signals for each bit is unnecessary, the amount of hardware can be reduced. Furthermore, A
By reducing the delay time of the ND circuit, it is possible to detect a match / mismatch at high speed.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上のように、1)パストランジスタ論
理回路でイクスクルーシブオア回路とイクスクルーシブ
ノア回路を構成し、バイポーラ差動型センス回路と比較
器を融合することにより、比較動作の高速化が図れる、
2)ワイヤードオア回路が可能なため多ビットの比較動
作の高速化が図れ、AND回路が不要となりハードウェ
ア量の削減ができる、3)センス回路の入力インピーダ
ンス変換とバイポーラトランジスタの飽和防止が少ない
ハードウエア量で実現できる、4)メモリ回路の安定な
動作が可能である等の効果があり、半導体集積回路装置
に用いる比較器として極めて有用である。
As described above, 1) the exclusive OR circuit and the exclusive NOR circuit are formed by the pass transistor logic circuit, and the bipolar differential type sense circuit and the comparator are combined to realize the comparison operation. Speed up,
2) A wired OR circuit is possible to speed up multi-bit comparison operation, and an AND circuit is not required, which reduces the amount of hardware. 3) A hardware with less input impedance conversion of the sense circuit and prevention of bipolar transistor saturation. It can be realized with a wear amount, and 4) It has effects such as stable operation of the memory circuit, and is extremely useful as a comparator used in a semiconductor integrated circuit device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1の発明の実施例の1ビット比較器の構成図FIG. 1 is a configuration diagram of a 1-bit comparator according to an embodiment of the first invention.

【図2】第1の発明の実施例の1ビット比較器のタイミ
ング図
FIG. 2 is a timing diagram of the 1-bit comparator according to the first embodiment of the invention.

【図3】第1の発明の実施例の1ビット比較器の構成図FIG. 3 is a configuration diagram of a 1-bit comparator according to an embodiment of the first invention.

【図4】第2の発明の実施例のキャッシュメモリの比較
器の構成図
FIG. 4 is a block diagram of a cache memory comparator according to an embodiment of the second invention.

【図5】第2の発明の実施例のキャッシュメモリシステ
ムの構成図
FIG. 5 is a configuration diagram of a cache memory system according to an embodiment of the second invention.

【図6】従来のキャッシュメモリの比較器の構成図FIG. 6 is a block diagram of a conventional cache memory comparator.

【図7】従来のセンス回路の構成図FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional sense circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101、301 イクスクルーシブノア回路 102、302 イクスクルーシブオア回路 103、104 NPNトランジスタ 105 NチャネルMOSFET 106、107 負荷抵抗 111、112 ビット線対 113、114 アドレス入力線 115 センスイネーブル 116 出力線 401 タグメモリ 403 1ビット比較器 404 24ビット比較器 414 出力線 501 タグメモリ 502 TLBの連想メモリ部 503 TLBのRAM部 504 比較器 514 出力線 101, 301 Exclusive NOR circuit 102, 302 Exclusive OR circuit 103, 104 NPN transistor 105 N-channel MOSFET 106, 107 Load resistance 111, 112 Bit line pair 113, 114 Address input line 115 Sense enable 116 Output line 401 Tag Memory 403 1-bit comparator 404 24-bit comparator 414 output line 501 Tag memory 502 TLB associative memory unit 503 TLB RAM unit 504 Comparator 514 output line

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】正転データ、反転データからなる第1の入
力信号線対および第2の入力信号線対の電位とを比較す
る比較器であって、前記第1の入力信号線対の一方がゲ
ートに接続された第1のMOSFETと、前記第2の入
力信号線対の一方がゲートに接続されかつドレインに前
記第1のMOSFETのソースが接続された第2のMO
SFETと、前記第1の入力信号線対の他方がゲートに
接続されかつドレインに前記第1のMOSFETのドレ
インが接続された第3のMOSFETと、前記第2の入
力信号線対の他方がゲートに接続されかつドレインに前
記第3のMOSFETのソースが接続されかつソースに
前記第2のMOSFETのソースが接続された第4のM
OSFETと、前記第1の入力信号線対の一方がゲート
に接続された第5のMOSFETと、前記第2の入力信
号線対の他方がゲートに接続されかつドレインに前記第
5のMOSFETのソースが接続された第6のMOSF
ETと、前記第1の入力信号線対の他方がゲートに接続
されかつドレインに前記第5のMOSFETのドレイン
が接続された第7のMOSFETと、前記第2の入力信
号線対の一方がゲートに接続されかつドレインに前記第
7のMOSFETのソースが接続されかつソースに前記
第6のMOSFETのソースが接続された第8のMOS
FETと、コレクタが前記第1のMOSFETのドレイ
ンに接続されかつベースが前記第2のMOSFETのソ
ースに接続された第1のNPNトランジスタと、コレク
タが前記第5のMOSFETのドレインに接続されかつ
ベースが前記第6のMOSFETのソースに接続されか
つエミッタが前記第1のNPNトランジスタのエミッタ
に接続された第2のNPNトランジスタと、活性化信号
の信号線がゲートに接続されかつドレインが前記第1の
NPNトランジスタのエミッタに接続されかつソースが
接地線に接続された電流スイッチ用MOSFETと、電
源線と前記第1のNPNトランジスタのコレクタとの間
を接続する第1の負荷抵抗と、電源線と前記第2のNP
Nトランジスタのコレクタとの間を接続する第2の負荷
抵抗と、前記第1のNPNトランジスタのコレクタまた
は前記第2のNPNトランジスタのコレクタに接続され
た出力線とを備えたことを特徴とする比較器。
1. A comparator for comparing the potentials of a first input signal line pair and a second input signal line pair consisting of non-inverted data and inverted data, wherein one of the first input signal line pair Is connected to the gate of the first MOSFET and a second MOSFET having one of the second input signal line pair connected to the gate and the source of the first MOSFET connected to the drain.
SFET, a third MOSFET having the other of the first input signal line pair connected to the gate and a drain of the first MOSFET connected to the drain, and the other of the second input signal line pair having the gate And a source of the third MOSFET is connected to the drain and a source of the second MOSFET is connected to the source of the fourth M
OSFET, a fifth MOSFET in which one of the first input signal line pair is connected to the gate, and the other of the second input signal line pair is connected to the gate and the source of the fifth MOSFET is in the drain. 6th MOSF connected to
ET, a seventh MOSFET in which the other of the first input signal line pair is connected to the gate and the drain of the fifth MOSFET is connected to the drain, and one of the second input signal line pair is the gate An MOS connected to the drain and connected to the source of the seventh MOSFET at the drain and connected to the source of the sixth MOSFET at the source
An FET, a first NPN transistor having a collector connected to the drain of the first MOSFET and a base connected to the source of the second MOSFET, and a collector connected to the drain of the fifth MOSFET and the base Is connected to the source of the sixth MOSFET and the emitter of which is connected to the emitter of the first NPN transistor, and the signal line of the activation signal is connected to the gate and the drain of the first NPN transistor. Current switching MOSFET connected to the emitter of the NPN transistor and the source thereof connected to the ground line, a first load resistor connecting between the power supply line and the collector of the first NPN transistor, and the power supply line. The second NP
A second load resistor connected between the collector of the N-transistor and an output line connected to the collector of the first NPN transistor or the collector of the second NPN transistor. vessel.
【請求項2】請求項1記載の第1から第8のMOSFE
TがNチャネルMOSFETであることを特徴とする比
較器。
2. The first to eighth MOSFEs according to claim 1.
A comparator characterized in that T is an N-channel MOSFET.
【請求項3】請求項1記載の第1から第8のMOSFE
TがPチャネルMOSFETであることを特徴とする比
較器。
3. The first to eighth MOSFEs according to claim 1.
A comparator characterized in that T is a P-channel MOSFET.
【請求項4】請求項2叉は請求項3記載の一対の比較入
力線対が、第2のメモリセルのビット線対であることを
特徴とする比較器。
4. A comparator, wherein the pair of comparison input line pairs according to claim 2 or claim 3 is a bit line pair of a second memory cell.
【請求項5】請求項4記載の任意の比較器をn個備え、
メモリ回路のnビットのビット線対と第2のnビット入
力信号および第2のnビット入力信号の逆論理極性入力
からなる第2の入力信号線対の第mビットを前記n個の
比較器の第m番目(0≦m≦n−1、mは整数)のビッ
ト線対および比較信号線対とし、該n個の比較器の各出
力線を短絡した出力線を備えたことを特徴とする比較
器。
5. An n number of arbitrary comparators according to claim 4 are provided,
The m-th bit of the second input signal line pair consisting of the n-bit bit line pair of the memory circuit, the second n-bit input signal, and the inverse logic polarity input of the second n-bit input signal A m-th (0 ≦ m ≦ n−1, m is an integer) bit line pair and a comparison signal line pair, each output line of the n comparators being short-circuited. Comparator to do.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5995420A (en) * 1997-08-20 1999-11-30 Advanced Micro Devices, Inc. Integrated XNOR flip-flop for cache tag comparison
TWI814363B (en) * 2021-08-27 2023-09-01 美商萬國商業機器公司 True complement dynamic circuit and method for combining binary data

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