量子元胞自动机电路设计与分析

作者: 解光军著 , 张永强著 , 吕洪君著

出版社: 科学出版社

出版时间: 2020-06

ISBN: 9787030652690

定价: 119.00

装帧: 其他

分类: 工程技术

《量子元胞自动机电路设计与分析》系统介绍了量子元胞自动机电路的设计与分析方法，主要内容包括：器件工作原理、计算模型、组合逻辑和时序逻辑电路设计、电路可靠性分析、时钟布局、模块化设计方法、逻辑综合以及测试等。《量子元胞自动机电路设计与分析》列举了大量实例，以帮助读者理解量子元胞自动机电路的构成、设计过程和基本的分析方法，从中可体会新型纳米电路设计的特点。目录

前言

第1章绪论 1

1.1 CMOS电路的发展及局限 1

1.2 新兴的纳米电子器件 2

1.3 量子元胞自动机 4

1.3.1 研究进展 4

1.3.2 物理实现 4

参考文献 6

第2章量子元胞自动机简介 12

2.1 元胞结构 12

2.1.1 二量子点元胞 12

2.1.2 四量子点元胞 13

2.2 元胞之间的响应 14

2.3 时钟 16

2.3.1 转换(switch) 17

2.3.2 保持(hold) 17

2.3.3 释放(release) 17

2.3.4 松弛(relax) 18

2.4 QCA电路的基本逻辑单元 18

2.4.1 直线传输线 18

2.4.2 弯角传输线 19

2.4.3 扇出传输线 20

2.4.4 反相器 20

2.4.5 三输入择多门 20

2.4.6 五输入择多门 22

2.4.7 交叉结构 22

2.5 QCA电路仿真软件 23

2.5.1 数字仿真引擎 23

2.5.2 非线性逼近仿真引擎 24

2.5.3 双稳态仿真引擎 24

参考文献 25

第3章计算模型 27

3.1 QCA元胞数学模型 27

3.1.1 孤立QCA元胞的哈密尔顿函数模型 27

3.1.2 QCA元胞的半经典模型 28

3.2 QCA元胞的两态性证明 29

3.3 QCA电路基本逻辑单元的仿真 31

3.3.1 QCA传输线 31

3.3.2 QCA反相器 32

3.3.3 QCA三输入择多门 33

3.4 能量耗散 34

3.4.1 能量耗散计算方法 34

3.4.2 QCA电路能量耗散的影响因素 37

3.5 可逆计算 38

参考文献 39

第4章组合逻辑电路 40

4.1 加法器 41

4.1.1 行波进位加法器 42

4.1.2 载流加法器 43

4.1.3 超前进位加法器 44

4.1.4 五输入择多门加法器 45

4.2 乘法器 46

4.3 编码器 47

4.3.1 4线-2线编码器 48

4.3.2 优先编码器 49

4.4 解码器 51

4.5 数据选择器 52

4.6 数值比较器 53

参考文献 55

第5章时序逻辑电路 57

5.1 触发器 57

5.1.1 RS触发器 57

5.1.2 JK触发器 59

5.1.3 D触发器 61

5.2 寄存器 62

5.2.1 数据寄存器 62

5.2.2 移位寄存器 63

参考文献 65

第6章 QCA电路可靠性分析 66

6.1 容错分析 66

6.1.1 缺陷类型 66

6.1.2 容错仿真分析 67

6.1.3 择多门的元胞缺失 68

6.1.4 QCA电路的元胞缺失 71

6.1.5 择多门的元胞移位 73

6.1.6 QCA电路的元胞移位 75

6.1.7 择多门的元胞增添 76

6.1.8 QCA电路的元胞增添 76

6.1.9 物理证明 77

6.2 概率转移矩阵 80

6.2.1 概率转移矩阵基本概念 81

6.2.2 电路结构划分 83

6.2.3 基本逻辑单元的PTM 84

6.2.4 QCA电路的PTM 分析 85

6.3 QCA电路的评价函数 89

6.3.1 Cost 函数 90

6.3.2 复杂度 91

6.3.3 延迟 91

6.3.4 不可逆功耗 91

6.3.5 交叉线数量 92

6.3.6 改进的成本函数 92

6.4 QCA电路的成本函数分析 93

6.4.1 QCA加法器 93

6.4.2 单个指标的比较 94

6.4.3 成本函数 94

6.5 极化与功耗 99

6.5.1 元胞的极化与功耗 99

6.5.2 功耗 101

6.5.3 功耗上限 102

6.5.4 QCAPro软件应用 103

6.5.5 软件介绍 104

6.5.6 利用QCAPro分析电路 105

参考文献 108

第7章 QCA电路时钟布局 110

7.1 时钟布局简介 110

7.2 QCA时钟电路的实现 111

7.3 QCA时钟布局方案 112

7.3.1 无规律时钟方案 113

7.3.2 一维时钟方案 115

7.3.3 普通二维时钟方案 118

7.3.4 2DD时钟方案 121

7.3.5 USE时钟方案 123

参考文献 125

第8章模块化设计 127

8.1 模块化设计的概念及意义 127

8.2 模块化设计的流程 128

8.3 QCA基础器件的模块化设计 130

8.3.1 3×3模块 130

8.3.2 正交模块 130

8.3.3 基线模块 132

8.3.4 扇入模块 132

8.3.5 双扇出模块 133

8.3.6 三扇出模块 133

8.3.7 3×5模块 134

8.3.8 三输入择多门模块 134

8.3.9 五输入择多门模块 136

8.4 加法器的模块化设计 137

8.4.1 三输入择多门构成的加法器 137

8.4.2 3×3模块构成的加法器 139

8.4.3 3×5模块构成的加法器 142

8.5 乘法器的模块化设计 145

8.5.1 三输入择多门构成的串行乘法器 146

8.5.2 3×3模块构成的乘法器 148

8.5.3 3×3模块构成的改进型乘法器 148

8.5.4 三种串行乘法器的比较 150

参考文献 152

第9章逻辑综合 154

9.1 逻辑综合基础 154

9.2 三输入基本函数 155

9.3 四输入基本函数 156

9.4 基于立方体的标准函数法 158

9.4.1 三输入标准函数法 158

9.4.2 四输入标准函数法 162

9.5 基于基本函数的综合方法 167

9.6 布尔不相邻法 173

9.7 基于穷尽搜索原理的三变量节点网络综合方法 174

9.7.1 小择多表达式 174

9.7.2 成本的四个衡量标准 175

9.7.3 综合方法 175

9.7.4 四变量函数查表法 181

9.8 择多表达式查询表 182

9.8.1 寻找MLUT 流程图 183

9.8.2 具体方法 184

9.9 基于择多门的三输入自动逻辑综合 186

9.9.1 卡诺图八位二进制表达式 186

9.9.2 编程实现步骤 188

参考文献 192

第10章测试 193

10.1 QCA电路的故障模型 193

10.1.1 固定故障 193

10.1.2 故障等价 194

10.1.3 故障压缩 195

10.2 QCA电路的故障分析 196

10.2.1 择多门的缺陷分析 197

10.2.2 传输线的缺陷分析 199

10.2.3 反相器的缺陷分析 203

10.3 缺陷概率分析 204

10.3.1 择多门 205

10.3.2 反相器 205

10.3.3 直线传输线 206

10.3.4 拐角传输线 206

10.3.5 扇出线 206

10.3.6 共面交叉线 206

10.4 QCA电路的测试方法 207

10.4.1 固定故障 208

10.4.2 可测性设计 209

10.4.3 布尔差分测试法 212

10.4.4 内建自测试 213

参考文献 215
内容简介:
《量子元胞自动机电路设计与分析》系统介绍了量子元胞自动机电路的设计与分析方法，主要内容包括：器件工作原理、计算模型、组合逻辑和时序逻辑电路设计、电路可靠性分析、时钟布局、模块化设计方法、逻辑综合以及测试等。《量子元胞自动机电路设计与分析》列举了大量实例，以帮助读者理解量子元胞自动机电路的构成、设计过程和基本的分析方法，从中可体会新型纳米电路设计的特点。
目录:
目录

前言

第1章绪论 1

1.1 CMOS电路的发展及局限 1

1.2 新兴的纳米电子器件 2

1.3 量子元胞自动机 4

1.3.1 研究进展 4

1.3.2 物理实现 4

参考文献 6

第2章量子元胞自动机简介 12

2.1 元胞结构 12

2.1.1 二量子点元胞 12

2.1.2 四量子点元胞 13

2.2 元胞之间的响应 14

2.3 时钟 16

2.3.1 转换(switch) 17

2.3.2 保持(hold) 17

2.3.3 释放(release) 17

2.3.4 松弛(relax) 18

2.4 QCA电路的基本逻辑单元 18

2.4.1 直线传输线 18

2.4.2 弯角传输线 19

2.4.3 扇出传输线 20

2.4.4 反相器 20

2.4.5 三输入择多门 20

2.4.6 五输入择多门 22

2.4.7 交叉结构 22

2.5 QCA电路仿真软件 23

2.5.1 数字仿真引擎 23

2.5.2 非线性逼近仿真引擎 24

2.5.3 双稳态仿真引擎 24

参考文献 25

第3章计算模型 27

3.1 QCA元胞数学模型 27

3.1.1 孤立QCA元胞的哈密尔顿函数模型 27

3.1.2 QCA元胞的半经典模型 28

3.2 QCA元胞的两态性证明 29

3.3 QCA电路基本逻辑单元的仿真 31

3.3.1 QCA传输线 31

3.3.2 QCA反相器 32

3.3.3 QCA三输入择多门 33

3.4 能量耗散 34

3.4.1 能量耗散计算方法 34

3.4.2 QCA电路能量耗散的影响因素 37

3.5 可逆计算 38

参考文献 39

第4章组合逻辑电路 40

4.1 加法器 41

4.1.1 行波进位加法器 42

4.1.2 载流加法器 43

4.1.3 超前进位加法器 44

4.1.4 五输入择多门加法器 45

4.2 乘法器 46

4.3 编码器 47

4.3.1 4线-2线编码器 48

4.3.2 优先编码器 49

4.4 解码器 51

4.5 数据选择器 52

4.6 数值比较器 53

参考文献 55

第5章时序逻辑电路 57

5.1 触发器 57

5.1.1 RS触发器 57

5.1.2 JK触发器 59

5.1.3 D触发器 61

5.2 寄存器 62

5.2.1 数据寄存器 62

5.2.2 移位寄存器 63

参考文献 65

第6章 QCA电路可靠性分析 66

6.1 容错分析 66

6.1.1 缺陷类型 66

6.1.2 容错仿真分析 67

6.1.3 择多门的元胞缺失 68

6.1.4 QCA电路的元胞缺失 71

6.1.5 择多门的元胞移位 73

6.1.6 QCA电路的元胞移位 75

6.1.7 择多门的元胞增添 76

6.1.8 QCA电路的元胞增添 76

6.1.9 物理证明 77

6.2 概率转移矩阵 80

6.2.1 概率转移矩阵基本概念 81

6.2.2 电路结构划分 83

6.2.3 基本逻辑单元的PTM 84

6.2.4 QCA电路的PTM 分析 85

6.3 QCA电路的评价函数 89

6.3.1 Cost 函数 90

6.3.2 复杂度 91

6.3.3 延迟 91

6.3.4 不可逆功耗 91

6.3.5 交叉线数量 92

6.3.6 改进的成本函数 92

6.4 QCA电路的成本函数分析 93

6.4.1 QCA加法器 93

6.4.2 单个指标的比较 94

6.4.3 成本函数 94

6.5 极化与功耗 99

6.5.1 元胞的极化与功耗 99

6.5.2 功耗 101

6.5.3 功耗上限 102

6.5.4 QCAPro软件应用 103

6.5.5 软件介绍 104

6.5.6 利用QCAPro分析电路 105

参考文献 108

第7章 QCA电路时钟布局 110

7.1 时钟布局简介 110

7.2 QCA时钟电路的实现 111

7.3 QCA时钟布局方案 112

7.3.1 无规律时钟方案 113

7.3.2 一维时钟方案 115

7.3.3 普通二维时钟方案 118

7.3.4 2DD时钟方案 121

7.3.5 USE时钟方案 123

参考文献 125

第8章模块化设计 127

8.1 模块化设计的概念及意义 127

8.2 模块化设计的流程 128

8.3 QCA基础器件的模块化设计 130

8.3.1 3×3模块 130

8.3.2 正交模块 130

8.3.3 基线模块 132

8.3.4 扇入模块 132

8.3.5 双扇出模块 133

8.3.6 三扇出模块 133

8.3.7 3×5模块 134

8.3.8 三输入择多门模块 134

8.3.9 五输入择多门模块 136

8.4 加法器的模块化设计 137

8.4.1 三输入择多门构成的加法器 137

8.4.2 3×3模块构成的加法器 139

8.4.3 3×5模块构成的加法器 142

8.5 乘法器的模块化设计 145

8.5.1 三输入择多门构成的串行乘法器 146

8.5.2 3×3模块构成的乘法器 148

8.5.3 3×3模块构成的改进型乘法器 148

8.5.4 三种串行乘法器的比较 150

参考文献 152

第9章逻辑综合 154

9.1 逻辑综合基础 154

9.2 三输入基本函数 155

9.3 四输入基本函数 156

9.4 基于立方体的标准函数法 158

9.4.1 三输入标准函数法 158

9.4.2 四输入标准函数法 162

9.5 基于基本函数的综合方法 167

9.6 布尔不相邻法 173

9.7 基于穷尽搜索原理的三变量节点网络综合方法 174

9.7.1 小择多表达式 174

9.7.2 成本的四个衡量标准 175

9.7.3 综合方法 175

9.7.4 四变量函数查表法 181

9.8 择多表达式查询表 182

9.8.1 寻找MLUT 流程图 183

9.8.2 具体方法 184

9.9 基于择多门的三输入自动逻辑综合 186

9.9.1 卡诺图八位二进制表达式 186

9.9.2 编程实现步骤 188

参考文献 192

第10章测试 193

10.1 QCA电路的故障模型 193

10.1.1 固定故障 193

10.1.2 故障等价 194

10.1.3 故障压缩 195

10.2 QCA电路的故障分析 196

10.2.1 择多门的缺陷分析 197

10.2.2 传输线的缺陷分析 199

10.2.3 反相器的缺陷分析 203

10.3 缺陷概率分析 204

10.3.1 择多门 205

10.3.2 反相器 205

10.3.3 直线传输线 206

10.3.4 拐角传输线 206

10.3.5 扇出线 206

10.3.6 共面交叉线 206

10.4 QCA电路的测试方法 207

10.4.1 固定故障 208

10.4.2 可测性设计 209

10.4.3 布尔差分测试法 212

10.4.4 内建自测试 213

参考文献 215

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