课程综述-触发器的性能和功耗的分析与比较

触发器的性能和功耗的分析与比较触发器的性能和功耗的分析与比较 班级 09 无机非 2 班 姓名 张晨宇 学号 0903032016 摘要 摘要 触发器性能和功耗的提高对整个电路的设计有极其重要的作 用 为了设计出高性能低功耗的电路 优化触发器性能和功耗的设计显 得极为重要 对触发器的各种参数进行阐述 对一些典型的触发器进行 分析和比较 对有关论文中提出的几种低功耗的触发器进行介绍和部 分比较 也对以后触发器的发展方向进行展望 为以后合理地利用现有 的标准单元库的触发器和提出更高性能的触发器做下铺垫 关键词 关键词 触发器 电路设计 低功耗 性能优化 引言 引言 随着时钟频率的增加 触发器以及锁存器的时延必须减小以 满足总体时钟周期的要求 因此 高速高性能而且低功耗的时序逻 辑器件设计成了当前的主要研究热点 目前大部分微处理器一般都 选择性的使用主从或者脉冲触发器 减少系统总功耗的有效方法就 是选择具有较低翻转率以及较少时钟网络节点的电路形式 一 触发器简介 触发器学名 双稳态多谐振荡器 Bistable Multivibrator 触发 器 Flip Flop 是一种可以存储电路状态的电子元件 最简单的是 由两个或非门 两个输入端和两个输出端组成的 RS 触发器 见图 复杂一些的有带时钟 CLK 段和 D Data 端 在 CLK 端为高电平时 跟随 D 端状态 而在 CLK 端变为低电 平的瞬间锁存信号的 D 触发器 更常 用的是两个简单 D 触发器级联而成的在时钟下跳沿锁存信号的边缘 D 触发器 广泛应用于计数器 运算器 存储器等电子部件 触发器可以查询其他表 而且可以包含复杂的 SQL 语句 它们主 要用于强制服从复杂的业务规则或要求 例如 您可以根据客户当 前的帐户状态 控制是否允许插入新订单 触发器也可用于强制引用完整性 以便在多个表中添加 更新或删 除行时 保留在这些表之间所定义的关系 然而 强制引用完整性 的最好方法是在相关表中定义主键和外键约束 如果使用数据库关 系图 则可以在表之间创建关系以自动创建外键约束 二 触发器的优 缺点 1 优点 预编译 已优化 效率较高 避免了 SQL 语句在网络传输然后 再解释的低效率 存储过程可以重复使用 减少开发人员的工作量 业务逻辑封装性好 修改方便 安全 不会有 SQL 语句注入问题存 在 触发器可通过数据库中的相关表实现级联更改 不过 通过级 联引用完整性约束可以更有效地执行这些更改 触发器可以强制比 用 CHECK 约束定义的约束更为复杂的约束 与 CHECK 约束不 同 触发器可以引用其它表中的列 例如 触发器可以使用另一个 表中的 SELECT 比较插入或更新的数据 以及执行其它操作 如 修改数据或显示用户定义错误信息 触发器也可以评估数据修改前 后的表状态 并根据其差异采取对策 一个表中的多个同类触发器 INSERT UPDATE 或 DELETE 允许采取多个不同的对策以响 应同一个修改语句 2 缺点 可移植性是存储过程和触发器最大的缺点 占用服务器端太多 的资源 对服务器造成很大的压力 不能做 DDL 触发器排错困难 而且数据容易造成不一致 后期维护不方便 如果更改范围大到需要对输入存储过程的参数进行更改 或者 要更改由其返回的数据 则您仍需要更新程序集中的代码以添加参 数 更新 GetValue 调用 等等 这时候估计比较繁琐了 由于存 储过程将应用程序绑定到 SQL Server 因此使用存储过程封装业 务逻辑将限制应用程序的可移植性 如果应用程序的可移植性在您 的环境中非常重要 则将业务逻辑封装在不特定于 RDBMS 的中间 层中可能是一个更佳的选择 三 触发器的电路结构和逻辑功能 1 电路结构 是指电路中门电路的种类及组合方式 基本 RS 触发器 同步 RS 触发器 主从触发器 边缘触发器等 是指电路结构的不同形式 由于电路结构形式的不同 带来了各不 相同的动作特点 同一种逻辑功能的触发器可以用不同的电路结构实现 反过来说 用同一种电路结构形式可以作成不同逻辑功能的触发器 2 逻辑功能 是指触发器的次态和现态及输入信号之间在稳态下的 逻辑关系 这种逻辑关系可以用特性表 特性方程或状态转换图给 出 根据逻辑功能的不同特点 把触发器分为 RS JK T D 等几种类 型 四 触发器的类型 按逻辑功能不同分为 RS 触发器 D 触发器 JK 触发器 T 触发器 按触发方式不同分为 电平触发器 边沿触发器和主从触发器 按电路结构不同分为 基本 RS 触发器和钟控触发器 按存储数据原理不同分为 静态触发器和动态触发器 按构成触发器的基本器件不同分为 双极型触发器和 MOS 型 触发器 五 常见触发器比较 1 双稳态触发器 它由两个反相器直接耦合而成 反相器 1 由晶体管 T1 和电阻 Rc1R11 及 R12 组成 反相器 2 由晶体管 T2 和电阻 Rc2 R21 及 R22 组成 反相器 1 的输出端 Q 即是反相器 2 的输入端 同样 反相器 2 的输出端悩也是反相器 1 的输入端 两级反相器是互相反馈的 这 个电路具有两种稳定状态 一种稳态是 T1 管导通 T2 管截止 Q 端为低电位 悩为高电 位 另一种稳态是 T1 管截止 T2 管导通 Q 端为高电位 悩端为低 电位 加上电压 Ec 和 Eb 后电路即进入一种稳定状态 若不加触发 信号 电路则永远处于这个稳定状态 欲使电路从一种稳态转换到 另一种稳态 必须外加触发信号 当外加负触发脉冲作用于引导电路的 S 端时 通过微分电路 R1C1 使 D1 导通 b1 点呈低电位 此时不论触发器原处何种状态 T1 管截止 Q 点变为高电位 T2 管导通 悩点变为低电位 这种稳态称 为触发器的 置位 状态 S 端称为 置位 端 反之 外加负触发脉冲 作用于 R 端时 则使悩端为高电位 Q 端为低电位 这种稳态为触发 器的 复位 状态 R 端称为 复位 端 具有置位 复位功能的触发器 称为 R S 触发器 双稳态触发器可用来构成各种计数器 分频器和寄存器等 2 射极耦合触发器 它也由两级反相器直接耦合而成 第一级反相器的输出端 c1 是 第二级反相器的输入端 第一级反相器的输入端接输入触发电压 ui 第二级反相器的输出端提供输出电压 u0 两级反相器通过公共 的发射极电阻 Re 耦合在一起 因而称射极耦合触发器 这种触发器 也有两种稳定状态 一种稳态是 T1 管导通 T2 管截止 输出 u0 为高 电位 另一种稳态是 T1 管截止 T2 管导通 u0 为低电位 触发器的 稳定状态决定于输入 u 电位的高低 因此这种触发器具有电位触发 特性 当输入 ui 为低电位时 T1 管截止 c1 点电位升高 使 T2 管导 通 输出 u0 也是低电位 当 ui 为高电位时 T1 管导通 c1 点电位下 降 使 T2 管截止 u 也是高电位 射极耦合触发器可用于波形的整形 和鉴幅 3 单稳态触发器 与双稳态触发器相比 单稳态触发器由晶体管 T2 组成的反相器 2 完全相同 但由晶体管 T1 组成的反相器 1 中 用电容器 C 代替电阻 器 R11 且 R12 接向 Ec 另外 在 T1 管的 b1 点接有由 D1 R1 及 C1 组成的引导电路 ui 即外加触发信号 触发器的状态电压由 c1 及 c2 点输出 在外加负触发脉冲 u 到来以前 0 t1 期间 触发器处于稳定 状态 由于 b1 点通过 R12 接向电压 Ec T1 导通 T2 截止 c1 点的 电压 uc1 为低电位 c2 点电压 u 为高电位 电容器 C 被充电 在 t t1 瞬间 u 到来 通过微分电路 R1C1 使 D1 导通 b1 呈低电位 T1 由导 通变为截止 uc1 上升为高电位 T2 导通 uc2 下降为低电位 这时 电容器 C 通过 T2 放电形成暂时稳定状态 t1 t2 期间 称为暂稳态 随着电容器 C 的放电 b1 点电位上升 当 t t2 时 b1 点的电位又使 T1 管导通 uc1 下降为低电位 T2 管又 截止 uc2 电位上升 在 t2 t3 期间 uc2 因受 Rc2C 充电的影响而上 升缓慢 形成恢复期 t3 以后进入原来的稳定状态 单稳态触发器 可用于脉冲整形和脉冲延时 各种触发器均可由分立元件构成 也可由集成电路来实现 但 随着集成电路技术的发展 集成触发器品种逐渐增加 性能优良 应用日益广泛 基本触发电路有 R S 触发器 T 触发器 D 触发器 J K 触发器等 4 脉冲触发器 脉冲触发器也是双站的触发器 第一站是脉冲产生器 第 2 站 是一个锁存器 半动态触发器前端是动态的 产生一个时钟脉冲 触发后端一 个静态的锁存器 当 CP 为 0 时 X 为 1 脉冲触发器需要在电平无 效的时候 把 X 点预充为高电平 当 CP 为 1 CP 的信号还没有传 到与非门时 S 点还是打开的 如果此时 D 为 1 X 的值就可传出 去 当 3 个反向器的时间过去后 CP 的新值传到与非门上 S 关断 D 的值就传不出去 这就是一个取值脉冲 混合锁存的触发器 HLFF 在结构上与 SDFF 相似 有一个静态的脉冲产生器 此 电路的建立时间可以为负 所以寄存器本身的延时很短 但是其在 上升沿附近输出可以有多次翻转 因此不应使用这一寄存器的输出 来驱动动态逻辑或作为其他寄存器的时钟 灵敏放大器 MSAFF 是一个完全不同的脉冲触发器 它在需要高性能或者传送低摆幅的 时候使用 它可能成为未来发展的方向之一 主从触发器相对脉冲触发器来说有较好的内部抗竞争能力 消 耗较低的功耗 但是其他参数都高于脉冲触发器 5 输出反馈控制选择性放电半静态触发器 单沿时钟脉冲发生器的结构很简单 它由一个简单的与门组成 大大降低了时钟脉冲发生器的资源占用率 双沿时钟脉冲发生器的 复杂程度较单沿时钟脉冲发生器基本相同 但是对时钟的利用率却 是后者的 2 倍 而且给时钟带来的负载也基本相同 因此 双沿时 钟脉冲装置的应用更广泛 五 性能比较 观察前面除了 ep SFF 之外所有的触发器均有当输入保持为 1 时 中间节点无用放电的情况出现 为了解决这个问题 将输出取反之 后形成反馈控制第一级的动态结构 使其条件放电 从而提出了一 种新型触发器 将其命名为 输出反馈控制选择性放电半静态触发器 它是半静态结构 第一级为动态 第二级为静态 该触发器的主 要优点就是通过使用输出的反相 Qb 反馈控制第一级的放电通路 有效的减少多余的翻转动作 假设输入为 1 高电平 且输出 Q 和 QB 分别为 0 和 1 节点 X 放电一次 于是 通过 M5 输出置成 高电平 1 如果输入为 0 则 M2 关断 节点 X 仍处于预充电时的值 于是 Q 通过 M6 与 M7 放电成低电平 0 Qb 为高电平 1 当输出为 1 且输入也为 1 时 由于 Qb 的值为 0 所以 M4 关断 关闭了 X 的放电路径 Db 为 0 同时也关断了 M6 管 这个时候输 出节点 Q 与两级完全隔离 保持原值 1 不变 输入为 0 且输出也为 0 的情况也是节点 X 保持原值不变 从上面的分析可以看出 节点 X 的翻转率大大降低 而且它只驱动一个 P 管的栅极 负载电容很 小 所以触发器的内部功耗很低 再来看看时钟的驱动情况 时钟 驱动三个晶体管 和其它的结构相同 因此 理论预测该触发器的 功耗会很低 六 慎用触发器 触发器功能强大 轻松可靠地实现许多复杂的功能 为什么又 要慎用呢 触发器本身没有过错 但由于我们的滥用会造成数据库 及应用程序的维护困难 在数据库操作中 我们可以通过关系 触 发器 存储过程 应用程序等来实现数据操作 同时规则 约束 缺省值也是保证数据完整性的重要保障 如果我们对触发器过分的 依赖 势必影响数据库的结构 同时增加了维护的复杂程序 七 发展前景 触发器的良好性能使其在生活中的应用广泛 它在插入 删除 或修改特定表中的数据时触发执行 它比数据库本身标准的功能有 更精细和更复杂的数据控制能力 数据库触发器有以下的作用 安 全性 可以基于数据库的值使用户具有操作数据库的某种权利 可 以基于时间限制用户的操作 例如不允许下班后和节假日修改数据 库数据 可以基于数据库中的数据限制用户的操作 例如不允许股 票的价格的升幅一次超过 10 审计 可以跟踪用户对数据库的操 作 审计用户操作数据库的语句 把用户对数据库的更新写入审计 表 实现复杂的数据完整性规则 实现非标准的数据完整性检查和 约束 触发器可产生比规则更为复杂的限制 与规则不同 触发器 可以引用列或数据库对象 例如 触发器可回退任何企图吃进超过 自己保证金的期货 提供可变的缺省值 实现复杂的非标准的数 据库相关完整性规则 触发器可以对数据库中相关的表进行连环更 新 例如 在 auths 表 author code 列上的删除触发器可导致相应删 除在其它表中的与之匹配的行 在修改或删除时级联修改或删除其 它表中的与之匹配的行 在修改或删除时把其它表中的与之匹配的 行设成 NULL 值 在修改或删除时把其它表中的与之匹配的行级联 设成缺省值 触发器能够拒绝或回退那些破坏相关完整性的变化 取消试图进行数据更新的事务 当插入一个与其主健不匹配的外部 键时 这种触发器会起作用 例如 可以在 books author code 列上 生成一个插入触发器 如果新值与 auths author code 列中的某值不 匹配时 插入被回退 同步实时地复制表中的数据 自动计算数据 值 如果数据的值达到了一