Kogge Stone Adder: Circuito, Funcionamento, Vantagens, Desvantagens e Suas Aplicações

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Um somador é um tipo de circuito digital em eletrônica digital usado para realizar operações de adição. Mesmo a operação de multiplicação depende principalmente da sequência desta operação. Portanto, estes podem ser implementados simplesmente de diferentes maneiras, com diferentes tecnologias e diferentes gamas de arquiteturas. O design de somador confiável e de alta velocidade é o objetivo principal em aplicações embarcadas e operações de filtragem. Existem diferentes tipos de somadores disponíveis, como somador de transporte de ondulação , Somador Kogge-stone, Somador Spanning Tree, Somador Brent kung, Somador de prefixo paralelo, Somador carry look ahead, Somador kogge-stone esparso, etc. Pedra Kogge Adde r ou KSA.


O que é o adicionador de pedra Kogge?

O somador Kogge-Stone ou KSA é uma forma de prefixo paralelo de CLA (somador carry lookahead) . Este somador usa mais área para implementar em comparação com o somador Brent-Kung, embora tenha um fan-out baixo em cada estágio, o que melhora o desempenho de nós de processo CMOS típicos. Porém, o congestionamento da fiação é frequentemente um problema para os KSAs.



O somador Kogge Stone ou KSA é um somador muito rápido utilizado em vários processamentos de sinal processadores (SPP) para executar a melhor função aritmética. Portanto, a velocidade de operação deste somador pode ser restringida transportando a propagação da entrada para a saída. Geralmente, KSA é um somador de prefixo paralelo que tem a especialidade de melhor adição, dependendo do tempo de projeto, usado para circuitos aritméticos baseados em alto desempenho na indústria.

Diagrama do circuito do somador de pedra Kogge

O diagrama Kogge-Stone Adder é mostrado abaixo.  Este tipo de somador é considerado simplesmente o projeto de somador de arquitetura mais rápido e comum, principalmente para somadores de alto desempenho na indústria. Neste tipo de somador, as portadoras são geradas muito rapidamente, computando-as em paralelo com um custo de área aumentado.



As estruturas em árvore de transporte, propagação e geração de sinais são mostradas no diagrama abaixo. Neste somador, a rede de geração Carry é um bloco muito significativo que inclui três blocos; Célula preta, célula cinza e buffer. Portanto, as células de cor preta são usadas principalmente no cálculo de sinais de geração e propagação, as células cinza são usadas principalmente no cálculo de sinais de geração que são necessários no cálculo da soma no estágio de pós-processamento e os buffers são usados ​​​​principalmente para equilibrar o efeito de carregamento.

  Estrutura da árvore KSA
 Estrutura da árvore KSA

Como funciona o Kogge Stone Adder?

O somador Kogge-Stone rastreia bits “gerados” e “propagados” internamente para extensões de bits semelhantes a todos os somadores carry-lookahead. Começamos com intervalos de 1 bit, sempre que uma única coluna dentro da adição produz um bit de transporte quando ambas as entradas são 1 (E lógico) e um bit de transporte será propagado se precisamente uma entrada for 1 (XOR lógico). Assim, o Kogge-Stone Adder inclui principalmente três estágios de processamento para calcular a soma dos bits; a fase de pré-processamento, a rede de geração de Carry e a fase de pós-processamento. Portanto, essas três etapas estão envolvidas principalmente nesta operação do somador. Essas três etapas são discutidas abaixo.

  PCB Way

Estágio de pré-processamento

Este estágio de pré-processamento envolve o cálculo de sinais gerados e propagados equivalentes a cada par de bits dentro de A e B.

Pi = Ai x Bi
Gi = Ai e Bi

Rede de geração de transporte

No estágio de geração de carry, calculamos o carry equivalente a cada bit. Portanto, a execução dessas operações pode ser realizada em paralelo. Após o cálculo dos transportes em paralelo, estes são segmentados em pedaços menores. Como sinais intermediários, ele utiliza sinais de transporte, propagação e geração que são especificados pelas equações lógicas abaixo.

CPi:j = Pi:k + 1 e Pk:j
CGi:j = Gi:k + 1 ou (Pi:k + 1 e Gk:j)

Pós-processamento

Este estágio de pós-processamento é muito comum em todos os somadores da família carry-ahead e envolve o cálculo de bits de soma.

Ci – 1 = (Pi e Cin) ou Gi
Si = Pi = x ou Ci – 1

Somador Kogge-Stone de 4 bits

No somador Kogge-Stone de 4 bits, cada estágio vertical gera um bit de “propagação” e um bit de “geração”. Os carrys são gerados no estágio final onde esses bits são XOR através da primeira propagação após a entrada dentro das caixas quadradas para gerar os bits de soma.

  Adicionador de pedra Kogge de 4 bits
Adicionador de pedra Kogge de 4 bits

Por exemplo; se a propagação for calculada por XOR quando A = 1 e B = 0, então ele gera a propagação o/p como 1. Aqui, o valor de geração pode ser calculado com AND quando A = 1, B = 0 e a geração o valor o/p é 0. Da mesma forma, todos os bits de soma são calculados para entradas: A = 1011 e B = 1100 Saídas, então soma = 0111 e transporta Cout = 1. Neste somador, prossiga com as cinco saídas na expansão abaixo.

S0 = (A0^B0)^𝐶𝐼𝑁.
S1 = (A1 ^ B1) ^ (A0 e B0).
S2 = (A2 ^B2) ^ (((A1 ^ B1) e (A0 e B0)) | (A1 e B1)).
S3 = (A3 ^ B3) ^ ((((A2 ^ B2) & (A1 ^ B1)) & (A0 & B0)) | (((A2 ^ B2) & (A1 & B1)) | (A2 &
B2))).
S4 = (A4 ^ B4) ^ ((((A3 ^ B3) e (A2 ^ B2)) e (A1 e B1)) | (((A3 ^ B3) e (A2 e B2)) | (A3 e B3 ))).

Vantagens e Desvantagens

O vantagens do somador Kogge Stone  inclua o seguinte.

  • O somador de pedra Kogge é um somador muito mais rápido
  • Esta é uma versão avançada para somadores de prefixos paralelos
  • Este somador ajuda a reduzir o consumo de energia e também o atraso em comparação com outras lógicas de tipo convencional.
  • Ele se concentra no tempo de design e é melhor para aplicativos de alto desempenho.
  • Este somador se torna muito eficiente no filtro FIR em comparação com outros tipos de somadores devido a uma enorme redução no poder de computação, área e tempo.

O desvantagens do somador Kogge-stone  inclua o seguinte.

  • Este somador utiliza mais área para implementar em comparação com o somador Brent-Kung, embora tenha menos dispersão em cada estágio, o que melhora o típico CMOS desempenho do nó de processo.
  • Para somadores Kogge-Stone, o congestionamento da fiação é frequentemente um problema.

Aplicativos

As aplicações do somador Kogge-Stone incluem o seguinte.

  • O somador Kogge Stone é usado em vários processadores de processamento de sinal para executar funções aritméticas muito rápidas.
  • Esta é uma extensão para o somador carry lookahead, usado para realizar adições muito rápidas em sistemas de computação de alto desempenho.
  • Este tipo de somador é usado em aplicações de processamento de sinais.
  • Este somador é amplamente utilizado na indústria, principalmente para circuitos aritméticos baseados em alto desempenho.
  • Este tipo de somador é usado normalmente para somadores largos porque demonstra o menor atraso entre outras estruturas.
  • KSA ajuda a adicionar números maiores usando menos área, energia e tempo.
  • É amplamente utilizado em vários sistemas VLSI como microprocessador arquitetura e arquitetura DSP específica do aplicativo.

O que é um somador de prefixo paralelo?

Somador de prefixo paralelo é um tipo de somador que usa operação de prefixo para realizar adição eficiente. Esses somadores são derivados do somador carry lookahead e são adequados para adição binária por meio de palavras largas.

Qual somador está apto para adição rápida?

Um somador carry lookahead é adequado para adição rápida em lógica digital porque esse somador simplesmente aumenta a velocidade, diminuindo a quantidade de tempo necessária para decidir transportar bits.

O que é o algoritmo somador Kogge-Stone?

O algoritmo somador Kogge-Stone é uma estrutura de um prefixo paralelo CLA que possui um baixo fan-out em cada estágio para torná-lo mais eficaz em nós normais de processo CMOS.

Assim, isso é uma visão geral do somador Kogge-Stone que é a versão mais conhecida do somador carry lookahead. Este somador simplesmente produz os sinais de transporte dentro do tempo O (log2N) e é amplamente considerado o melhor design de somador. Portanto, este somador possui a arquitetura mais frequente, principalmente para somadores de alto desempenho na indústria. Assim, este KSA inclui um layout regular e é o somador especial devido ao seu menor fan-out ou menor profundidade lógica. Portanto, este somador se torna um somador muito rápido e com uma grande área. Aqui está uma pergunta para você: o que é um somador carry lookahead?