Mikroişlemci çekirdek tasarımında çoklu değerli mantık kullanımı
Using multiple valued logic in microprocessor core design
Yazar: WISSAM MOHSIN ALI ALJANABI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ALBAYRAK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda, Çoklu Değerli Mantık (ÇDM) devreleri olarak adlandırılan ikili mantık seviyesinden fazla devrenin kullanılması büyük önem taşımaktadır. ÇDM devrelerin uygulanmasının, ikili değerli devrelerden daha fazla göz önünde bulundurulmasının en yaygın nedenleri; ikili devrelere kıyasla kablolama tıkanıklığını azaltması, üç veya daha fazla ayrık gerilim veya akım değerini iletmek üzere tek bir iletkenin kullanılmasının kablo başına daha büyük bilgi içeriğine izin vermesi ve devre maliyet modellerinin daha ekonomik olacak olmasıdır.
Bu tezin birincil katkısı, sekiz değerli mantık sinyallerini kabul eden, yöneten, depolayan ve sağlayan bir ÇDM mikroişlemci çekirdeğinin tasarımıdır. Tasarım hedefi, daha yüksek hız, daha küçük boyut, daha az sayıda transistör ve daha az güç yitimi bakımından mikroişlemcinin performansını iyileştirmektir.
Yüksek fonksiyon değer seviyesinin (mantık seviyelerinin sayısı) mümkün olduğunca çok sayıyı temsil etmesi en iyi uygulama olacaktır. Ancak, uygulamada, Octal mantık, hesaplama kabiliyetini artırmaya yönelik gerekli hesaplama adımlarının sayısını azaltır, her hattın taşıdığı daha yüksek bilgi içeriği nedeniyle iletişim hatlarının daha fazla kullanılmasını sağlar.Çalışmada 8 fonksiyon değer seviyesi, basit (kodlama-kod çözme) devrelerinin kullanımına izin verdiği için, ikili mantığa kolay ara yüzleme avantajı sağlar. Bu nedenle de, önerilen tasarım 8 fonksiyon değer seviyesine dayanmaktadır.
Fonksiyonel bütünlük yeni bir ÇDM mantık kapı sistemi ile kanıtlanmıştır. Önerilen ÇDM mantık kapı sistemi fonksiyonel olarak eksiksizdir ve Post cebiri, Kleene cebiri, Allen ve Givone cebiri, Vranesic, Lee ve Smith cebiri ve Modüler cebire dayanmaktadır. Yalnızca Boolean cebirine dayanan ikili mantık kapı sistemine benzememektedir.
Bu çalışmada, sekiz değerli ÇDM sistemi içindeki olası tüm fonksiyonları yönetme yeteneğine sahip fonksiyonel olarak eksiksiz olan eşsiz bir sekiz değerli mikroişlemci çekirdeği sunulmuş ve akım-modu teknolojisi kullanılarak tasarlanmıştır. Önerilen devreyi simüle etmek için, Cadence simülatöründe (SPICE) aracına sahip bir simülasyon programı kullanılmıştır. Önerilen mikroişlemci çekirdeğinin performans analizi sunulmuştur. Farklı yapılar olmasına rağmen, CMOS tabanlı ikili mikro işlemci çekirdeği ile benzer parametreler açısından performans karşılaştırması sunulmuştur. Karşılaştırma yapılırken iki yapıdan biri voltaj modlu diğeri akım modlu çalıştığı için karşılaştırmada durum farklılığı ortaya konulmuştur. Sonuçlar kısmında yeni tasarımlara yol göstermesi açısından daha sonra yapılabilecek çalışmalara yer verilmiştir.

Abstract:
In the recent years, there was major importance to use of the circuits with more than two logic levels, named as Multiple-Valued Logic (MVL) circuits. The most common reasons for considering the implementation of MVL circuits better then binary valued circuits are that reducing wiring congestion as compared to binary circuits, using a single conductor to transmit three or more discrete voltage or current values allows for greater information content per wire and the circuit cost models would be more economical.
The primary contribution of this thesis is the design of a MVL microprocessor core that accepts, manipulates, stores and provides eight-valued logic signals. The design target is to improve the microprocessor's performance in term to be higher speed, smaller size, less number of transistors and less power dissipation.
The higher radix (number of logic levels) would be best to represent as many numbers as possible. But, in practice, Octal logic reduces the number of required computation steps leading to increase computational ability, offers greater utilization of communication lines because of the higher information content carried by every line and offers the benefit of easy interfacing to binary logic because radix 8 allows for the use of simple (encoding-decoding) circuits. Therefore, the proposed design based on radix 8.
The functional completeness is proven with a new MVL logic gates system. The proposed MVL logic gates system is functionally complete and based on Post algebra, Kleene algebra, Allen and Givone algebra, Vranesic, Lee and Smith algebra, and Modular algebra. It is not similar to the binary logic gates system that is based on Boolean algebra only.
In this thesis, a novel functionally complete octal microprocessor core has the ability to manipulation all possible functions within the octal MVL system is presented and designed using current mode technology. Simulation program with (SPICE) tool in Cadence simulator is used to simulate the proposed circuit. Performance analysis of the proposed microprocessor core is presented. Although there are different structures, a comparison of performance in terms of similar parameters with the CMOS based binary microprocessor core is presented. When comparing, one of the
two structures is voltage mode and the other is current mode. In the conclusions section, studies that can be done later are given in order to guide new designs.