KR100308205B1 - 저전력소모카운터 - Google Patents

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Abstract

개시되는 이진 카운터는 n-비트 입력 신호의 하위 m-비트에 '1'을 더하고, 상기 하위 m-비트가 모두 '1'일 때 캐리 신호를 출력하는 제 1 애더와; 상기 n-비트 입력 신호의 상위 (n-m)-비트에 상기 캐리 신호를 더하는 제 2 애더와; 클럭 신호에 동기되어 상기 제 1 애더의 출력을 저장하는 제 1 레지스터와; 상기 클럭 신호에 동기되어 상기 제 2 애더의 출력을 저장하는 제 2 레지스터 및; 상기 제 1 애더로 공급되는 상기 클럭 신호를 받아들이고, 상기 제 1 애더가 캐리 신호를 발생할 때 상기 클럭 신호를 상기 제 2 레지스터로 공급하는 클럭 게이트 수단을 포함한다. 상기 m-비트의 비트 폭은 [(n-m)/2n+ m]의 값을 최소로 하는 m(m은 양의 정수)에 의해 결정된다. 상기 제 2 레지스터는 상기 제 1 애더의 캐리 신호 Cm-1가 '1'일 때 클럭 신호를 인가받는다. 이러한 이진 카운터는 상기 제 2 레지스터에 불필요한 클럭 토글링을 방지함으로써 불필요한 전력이 소모되는 것을 방지한다.

Description

저전력 소모 카운터(LOW-POWER CONSUMPTION COUNTER)
본 발명은 이진 카운터에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 저전력 소모 이진 카운터에 관한 것이다.
카운터(counter)는 입력 펄스 신호에 따라 미리 정해진 순서대로 값을 증가 또는 감소하는 상태 변이가 진행된다. 카운터는 어떤 사건의 발생 횟수를 세거나, 동작순서를 제어하는 타이밍 신호를 만드는 데 사용된다. 근래에
이진 카운터(binary counter)는 증가(increment) 동작에서 이진 순서(0000→0001→0010→0011→…)에 따라 그 출력이 변화된다. n 개의 플립플롭(flipflop)을 갖는 n-비트 이진 카운터는 0에서 (2n-1)까지 카운트한다. 상기 n 개의 플립플롭들은 일반적으로 클럭 신호에 동기되어 동작한다.
이진수의 진행 순서는, 최하위 비트(Least Significant Bit; LSB)는 매 카운트마다 변하고(complemented), 나머지 비트들은 그보다 아래의 모든 비트가 1이 된 다음의 카운트에서 그 값이 변한다. 예를 들어, 4-비트 이진수 '0111'(십진수 7)에서 '1000' (십진수 8)으로 가는 이진 카운트는 (a) 최하위 비트를 보수화하고, (b) '0111'의 첫 번째 비트가 '1'이므로 두 번째 비트를 보수화하며, (c) '0111'의 처음 두 비트가 '1'이므로 세 번째 비트도 보수화하고, (d) 처음 세 비트가 '1'이므로 최종적으로 네 번째 비트를 보수화 함으로써 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, n-비트 이진 카운터의 상위 (n-m)-비트는 하위 m-비트가 모두 '1'이 된 후 다음 증가 동작에서 변화된다. 다시 말하면, 하위 m-비트가 모두 '1'이 될 때까지 상위 (n-m)-비트는 변화되지 않는다.
그러나, 종래의 일반적인 n-비트 이진 카운터는 증가 동작에서 데이터의 변화가 없는 상위 (n-m)-비트에 대응하는 플립플롭들에도 클럭을 인가하여 불필요한 전력이 소모되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 불필요한 전력 소모를 방지하기 위한 클럭 게이팅 회로를 갖는 카운터를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 n-비트 이진 카운터의 구성을 보여주는 블록도; 그리고,
도 2는 n-비트 이진 카운터의 m의 값이 '0' 부터 'n' 까지 변화될 때, 클럭 신호(Clock)가 한번 토글될 때마다 트리거되는 플립플롭의 수를 보여주는 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 제 1 애더 20 : 제 2 애더
30 : 제 1 레지스터 40 : 제 2 레지스터
50 : 앤드 게이트
상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 이진 카운터는: n-비트 입력 신호의 하위 m-비트에 '1'을 더하고, 상기 하위 m-비트가 모두 '1'일 때 캐리 신호를 출력하는 제 1 애더와; 상기 n-비트 입력 신호의 상위 (n-m)-비트에 상기 캐리 신호를 더하는 제 2 애더와; 클럭 신호에 동기되어 상기 제 1 애더의 출력을 저장하는 제 1 레지스터와; 상기 클럭 신호에 동기되어 상기 제 2 애더의 출력을 저장하는 제 2 레지스터 및; 상기 제 1 애더로 공급되는 상기 클럭 신호를 받아들이고, 상기 제 1 애더가 캐리 신호를 발생할 때 상기 클럭 신호를 상기 제 2 레지스터로 공급하는 클럭 게이트 수단을 포함하고, 상기 n-비트 입력 신호는 상기 제 1 레지스터와 제 2 레지스터의 출력들로 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 m-비트의 비트 폭은 [(n-m)/2n+ m]의 값을 최소로 하는 m(m은 양의 정수)에 의해 결정된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 클럭 게이트 수단은, 상기 제 1 애더로 공급되는 상기 클럭 신호와 상기 캐리 신호를 입력받아 조합하여 상기 제 2 레지스터로 공급되는 클럭 신호를 출력하는 앤드 게이트를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 애더는 상기 하위 m-비트의 각각의 비트를 입력받는 직렬로 연결된 m 개의 하프-애더들을 포함하되, 상기 하프-애더 각각은 전단의 캐리 신호와 상기 하위 m-비트 중 대응하는 비트를 입력받아 더하고, 상기 하프-애더 중 첫 번째 단의 하프-애더는 상기 '1'을 캐리 신호로서 입력받는다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 2 애더는 상기 상위 (n-m)-비트의 각각의 비트를 입력받는 직렬로 연결된 (n-m) 개의 하프-애더들을 포함하되, 상기 하프-애더 각각은 전단의 캐리 신호 와 상기 상위 (n-m)-비트 중 대응하는 비트를 입력받아 더하고, 상기 하프-애더 중 첫 번째 단의 하프-애더는 상기 제 1 애더로부터 출력되는 상기 캐리 신호를 캐리 신호로서 입력받는다.
(실시예)
이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 신규한 이진 카운터는 n-비트 입력 신호의 하위 m-비트에 '1'을 더하고, 상기 하위 m-비트가 모두 '1'일 때 캐리 신호를 출력하는 제 1 애더와; 상기 n-비트 입력 신호의 상위 (n-m)-비트에 상기 캐리 신호를 더하는 제 2 애더와; 클럭 신호에 동기되어 상기 제 1 애더의 출력을 저장하는 제 1 레지스터와; 상기 클럭 신호에 동기되어 상기 제 2 애더의 출력을 저장하는 제 2 레지스터 및; 상기 제 1 애더로 공급되는 상기 클럭 신호를 받아들이고, 상기 제 1 애더가 캐리 신호를 발생할 때 상기 클럭 신호를 상기 제 2 레지스터로 공급하는 클럭 게이트 수단을 포함한다. 상기 m-비트의 비트 폭은 [(n-m)/2n+ m]의 값을 최소로 하는 m(m은 양의 정수)에 의해 결정된다. 상기 제 2 레지스터는 상기 제 1 애더의 캐리 신호 Cm-1가 '1'일 때 클럭 신호를 인가받는다. 이러한 이진 카운터는 상기 제 2 레지스터에 불필요한 클럭 토글링을 방지함으로써 불필요한 전력이 소모되는 것을 방지한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 n-비트 이진 카운터의 구성을 보여주고 있다.
도 1을 참조하면, n-비트 이진 카운터는 제 1 애더(Adder)(10)와 제 2 애더(20), 제 1 레지스터(30)와 제 2 레지스터(40) 그리고 앤드 게이트(AND gate)(50)를 포함한다.
상기 제 1 애더(10)는 n 비트 입력 신호 가운데 하위 m 비트의 각각의 비트를 입력받는 직렬로 연결된 m 개의 하프 애더(10_0, …, 10_(m-2), 10_(m-1))들을 포함한다. 상기 하프-애더 중 첫 번째 단의 하프-애더(10_0)는 '1'을 캐리 신호로서 입력받고, 상기 하위 m-비트 중 최하위 비트를 입력받아 더한다. 나머지 하프 애더(10_1, …, 10_(m-2), 10_(m-1))들 각각은 전단의 캐리 신호(C0, Cm-2, Cm-1)들과 상기 하위 m-비트 중 상위 (m-1)-비트를 입력받아 더한다. 즉, 상기 제 1 애더(10)는 상기 하위 m-비트에 '1'을 더하고, 상기 하위 m 비트가 모두 '1'일 때 캐리 신호(Cout)를 출력한다.
상기 제 2 애더(20)는 n-비트 입력 신호 가운데 하위 m-비트의 각각의 비트를 입력받는 직렬로 연결된 (n-m)-개의 하프 애더(20_m, …,20_(n-2), 20_(n-1))들을 포함한다. 상기 하프-애더 중 첫 번째 단의 하프-애더(20_m)는 상기 제 1 애더(10)로부터 출력되는 캐리 신호(Cout)를 캐리 신호로서 입력받고, 상기 상위 (n-m)-비트 중 최하위 비트를 입력받아 더한다. 나머지 하프 애더(20_(m+1),…,20_(n-1))들 각각은 전단의 캐리 신호(Cm, …, Cn-2)들과 상기 상위 (n-m)-비트 중 상위 (n-m-1)-비트를 입력받아 더한다. 즉, 상기 제 2 애더(20)는 상기 n-비트 입력 신호의 상위 (n-m)-비트에 상기 캐리 신호(Cout)를 더한다.
상기 제 1 레지스터(30)는 m 개의 디-플립플롭(D-flipflop)들(30_0, …, 30_(m-2), 30_(m-1))을 포함하는 m-비트 레지스터로 구성되고, 클럭 신호(Clock)에 동기되어 상기 제 1 애더(10)의 출력을 저장한다. 상기 제 1 레지스터(30)는 상기 클럭 신호(Clock)를 직접 인가받아 동작한다.
상기 제 2 레지스터(40)는 (n-m) 개의 디-플립플롭(D-flipflop)들(40_m, …, 40_(n-2), 40_(n-1))을 포함하는 (n-m)-비트 레지스터로 구성되고, 앤드 게이트(50)로부터 출력되는 클럭 신호(H_Clock)에 동기되어 상기 제 2 애더(20)의 출력을 저장한다.
상기 앤드 게이트(50)는 상기 제 1 애더(10)로 공급되는 클럭 신호(Clock)와 상기 제 1 애더(10)로부터 출력되는 캐리 신호(Cout)를 입력받아 조합하여 상기 제 2 레지스터로 공급되는 클럭 신호(H_Clock)를 출력한다. 즉, 상기 제 1 애더(10)로부터 출력되는 캐리 신호(Cout)는 클럭 게이팅 소자인 상기 앤드 게이트(50)의 인에이블(enable) 신호가 된다.
상술한 바와 같은 n-비트 이진 카운터에서 클럭 신호(Clock)가 한번 토글(toggle)될 때 동작하는 전체 레지스터의 수(즉, 클럭 토글 수)는 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
상기 [수학식 1]에서 n은 카운터의 비트 폭(bit width)을 나타내며, m은 클럭 신호(Clock)를 직접 인가받는 플립플롭의 수를 나타낸 것이다. 이 때, 상기 n과 m은 양의 정수이다.
도 2는 상기 [수학식 1]을 참조하여, n-비트 이진 카운터의 m의 값이 '0' 부터 'n' 까지 변화될 때, 클럭 신호(Clock)가 한번 토글될 때마다 트리거(trigger)되는 플립플롭의 수를 보여주는 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 클럭 신호(Clock)가 한번 토글될 때마다 트리거되는 플립플롭의 수는 m의 값이 '0'에서 x 지점까지는 감소하다가 x 지점 이후에는 점점 증가한다. 즉, m의 값이 x 일 때 클럭 신호(Clock)가 한번 토글될 때마다 트리거되는 플립플롭의 수는 최소가 된다.
상기 x 값 다시 말하면, 상기 클럭 신호(Clock)가 한번 토글될 때 동작하는 전체 플립플롭(T(m))의 수가 최소가 되게 하는 m의 값은 상기 T(m)을 m으로 편미분하여 그 값이 '0'이 되는 값이다. 이것을 수학식으로 표현하면 [수학식 2]와 같다.
[수학식 2]
상기 [수학식 2]를 만족하는 m은 n-비트 이진 카운터의 하위 m-비트의 비트 폭(bit width)을 결정한다. 그러나, 상기 [수학식 2]를 만족하는 양의 정수 m의 값을 구하는 데에는 어려움이 있으므로, 다음과 같은 방법으로 최적의 m의 값을 구한다.
[수학식 3]과 [수학식 4]는 상기 m의 값을 구하기 위한 더욱 용이한 방법을 보여주고 있다.
[수학식 3]
T(m) ≤ T(m-1)
[수학식 4]
T(m) ≤ T(m+1)
상기 [수학식 3]과 [수학식 4]를 연립부등식으로 표현하면 [수학식 5]와 같다.
[수학식 5]
(2m+m-2) ≤ n ≤ (2m+1-1)
다음 [표 1]은 상기 [수학식 5]를 만족하는 n과 m을 정리하여 보여준다.
[표 1]
n m
4 ~ 9 2
9 ~ 18 3
18 ~ 35 4
: :
상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 4-비트 이진 카운터는 m이 '2'일 때 클럭 신호(Clock)가 한번 토글(toggle)될 때 동작하는 전체 플립플롭의 수가 최소가 된다.
예를 들어, 20-비트 이진 카운터의 경우, 종래 기술에 의하면 클럭 신호(Clock)가 한번 토글(toggle)될 때 동작하는 전체 플립플롭의 수는 20 개 이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 20-비트 이진 카운터는 상기 [표 1]에서 n=20 일 때 m은 4이므로, 클럭 신호(Clock)가 한번 토글(toggle)될 때 동작하는 전체 플립플롭의 수는 [수학식 1]을 참조하여 계산하면 [수학식 6]과 같다.
[수학식 6]
즉, 클럭 신호(Clock)가 한번 토글될 때 동작하는 전체 플립플롭의 수는 평균 5 개 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 클럭 게이팅 소자인 앤드 게이트(50)가 포함되어 있으므로, 클럭의 로드(load)로 간주하면, 이득 η는 [수학식 7]과 같다.
[수학식 7]
상기 [수학식 7]에서 알 수 있듯이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 20-비트 이진 카운터는 종래보다 70%의 이득을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 n-비트 이진 카운터는 [수학식 1] ~ [수학식 5]에서 구한 최적한 m의 값에 따라 제 1 애더(10) 및 제 1 레지스터(30)의 비트 폭이 결정된다. 제 2 애더(20) 및 제 2 레지스터(40)의 비트 폭은 (n-m)이 된다. 상기 제 1 레지스터(30)를 구성하는 m 개의 디-플립플롭들(30_0, …, 30_(m-2), 30_(m-1))에는 클럭 신호(Clock)가 직접 인가된다. 상기 제 2 레지스터(40)를 구성하는 (n-m) 개의 디-플립플롭들(40_m, …, 40_(n-2), 40_(n-1))에는 앤드 게이트(50)에서 출력되는 클럭 신호(H_Clock)가 인가된다. 즉, 상기 제 2 레지스터(40)를 구성하는 (n-m) 개의 디-플립플롭들(40_m, …, 40_(n-2), 40_(n-1))에는 상기 제 1 애더(10)로 입력되는 하위 m-비트의 신호가 모두 '1'일 때 발생하는 캐리 신호(Cout)에 의해 클럭 신호(H_Clock)가 인가된다.
따라서, 제 2 레지스터(40)의 (n-m) 개의 디-플립플롭들(40_m, …, 40_(n-2), 40_(n-1))들은 클럭 신호(Clock)가 2m번 토글될 때 앤드 게이트(50)로부터 클럭 신호(H_Clock)가 한 번 인가된다.
이상에서, 본 발명에 따른 회로의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 상기 제 2 레지스터에 불필요한 클럭 토글링을 방지함으로써 불필요한 전력이 소모되는 것을 방지한다.

Claims (4)

  1. 이진 카운터에 있어서: n-비트 입력 신호의 하위 m-비트에 '1'을 더하고, 상기 하위 m-비트가 모두 '1'일 때 캐리 신호를 출력하는 제 1 애더와; 상기 n-비트 입력 신호의 상위 (n-m)-비트에 상기 캐리 신호를 더하는 제 2 애더와; 제 1 클럭 신호에 동기되어 상기 제 1 애더의 출력을 저장하는 제 1 레지스터와; 제 2 클럭 신호에 동기되어 상기 제 2 애더의 출력을 저장하는 제 2 레지스터 및; 상기 제 1 클럭 신호와 상기 캐리 신호를 받아들이고, 그리고 상기 제 1 애더가 상기 캐리 신호를 발생할 때 상기 제 2 클럭 신호를 발생하는 수단을 포함하고, 상기 n-비트 입력 신호는 상기 제 1 레지스터와 제 2 레지스터의 출력들로 이루어지며, 상기 제 1 애더는 상기 하위 m-비트의 각각의 비트를 입력받는 직렬로 연결된 m 개의 하프-애더들을 포함하되, 상기 m 개의하프-애더 각각은 전단의 캐리 신호와 상기 하위 m-비트 중 대응하는 비트를 입력받아 더하고, 상기 m 개의 하프-애더 중 첫 번째 단의 하프-애더는 상기 '1'을 캐리 신호로서 입력받고, 상기 제 2 애더는 상기 상위 (n-m)-비트의 각각의 비트를 입력받는 직렬로 연결된 (n-m) 개의 하프-애더들을 포함하되, 상기 (n-m) 개의 하프-애더 각각은 전단의 캐리 신호와 상기 상위 (n-m)-비트 중 대응하는 비트를 입력받아 더하고, 상기 (n-m) 개의 하프-애더 중 첫 번째 단의 하프-애더는 상기 제 1 애더로부터 출력되는 상기 캐리 신호를 캐리 신호로서 입력받는 것을 특징으로 하는 이진 카운터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 m-비트의 비트 폭은 [(n-m)/2n+ m]의 값을 최소로 하는 m(m은 양의 정수)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 이진 카운터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 클럭 발생 수단은, 상기 제 1 클럭 신호와 상기 캐리 신호를 논리곱하여 출력하는 앤드 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이진 카운터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 클럭 발생 수단은, 상기 제 1 클럭 신호와 상기 캐리 신호를 입력받아 논리 조합하여 출력하는 낸드 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이진 카운터.
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