I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.   7 ,   No .   1 ,  Mar ch   2 0 1 8 ,   p p .   1 ~1 1   I SS N:  2 089 - 4 864 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r es . v7 . i1 . p p 1 - 11          1       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR E S /in d ex   BI ST Archi tect u r e using  Area E ff ic ient  Lo w  Current L FSR  f o r  E m be dded Me m o ry  Testing  Appl ic a tions       M.   P a rv a t hi,  N. Va s a ntha ,   K .   Sa t y a   P r a s a d   ECE   De p t,   B V RIT ,   Hy d e ra b a d ,   Tela n g a n a ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   1 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   J an   2 0 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Feb   7 ,   2 0 1 8       O n e   o f   th e   im p o rtan t  b lo c k   o f   BIS T   c o n tro ll e r  is  L F S R   a n d   th e   sp e e d   w it h   w h ich   BIS T  o p e ra tes   d e p e n d s  o n   L F S R  s y ste m s   d e sig n .   T h e re   a r e   m e th o d s  in   im p le m e n ti n g   L F S R  u sin g   f ield   p ro g ra m m a b le  g a te  a rra y s  ( F P GA s)  o r   d ig it a l  sig n a l  p ro c e ss o rs  (DS P s ).   BIS T   c o n tro ll e r  sy ste m   sp e e d   is  th e n   li m it e d   to   F P G A s  a n d   DS P s,  w h ich   m a y   in f lu e n c e   o th e r  p a ra m e te rs  su c h   a s   o v e ra ll   a re a ,   m a x i m u m   c u rre n t,   li m it   a n d   p o w e r  d issip a ti o n .   T h is  p a p e r   p ro p o se s  a   tec h n iq u e   to   a c h iev e   a n   e ff i c ien t  BIS T   c o n tro ll e r  b y   r e d e sig n in g   L F S R  u sin g   G DI  b a se d   D  f li p - f lo p s  th a t  re su lt e d   w it h   lo w   a r e a   a n d   lo w   c u rre n t  c a p a b il it ies .   T h is  p a p e r  p re se n ts  t h re e   d if f e re n t  tec h n iq u e s  f o r   im p le m e n ti n g   f li p - f lo p s  f o r  a n   e ff icie n t  L F S R  so   th a t  th e   lay o u t  a re a   w il l  b e   m in i m ize d   a s  w e ll   a s th e   m a x i m u m   c u rre n t  d ra w n   w il l  b e   lo w e r.   K ey w o r d s :   D  Fli p   Flo p   GDI   L F SR   L o w   la y o u t a r ea   an d   cu r r en t     Co p y rig h t  ©   2 0 1 8   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   M. P ar v ath i,   E C E   Dep t,  B VR I T ,   Hy d er ab ad ,   T elan g an a,   I n d ia .   E m ail:  p ar v at h i. m @ b v r it h y d e r ab ad . ed u . in       1.   I NT RO D UCT I O N   Si m i lar   to   a  s h i f t  r eg is ter ,   a  L i n ea r   Feed b ac k   S h i f t  R e g is ter   ( L FS R )   s h i f ts   th e   s i g n al  f r o m   o n e  b it  to   n ex t   b it  w h e n   ap p lied   w i th   t h e  clo c k .   B ased   o n   s ee d   in p u t  b its ,   s o m e   o f   th e   o u tp u ts   f r o m   t h e  r e g is ter   ar e  co m b i n ed   t h r o u g h   t h e  E x - O R   g ate  co n f i g u r atio n   a n d   f u r th er   a  f ee d b ac k   m ec h a n i s m   w ill b e   f o r m ed   to   p r o v id e  th at  a s   i n p u t  to   L FS R .   A lt h o u g h   m u ch   w o r k   h as   alr ea d y   ca r r ied   o u t  b y   d if f er e n t  tec h n iq u e s ,   it  i s   s till   a   ch alle n g i n g   w o r k   f o r   cir cu it  d esig n er   to   d esi g n   an   o p ti m ize d   an d   r eliab le  cir cu it.  Ma n y   o f   t h e  tec h n iq u es   ar e  f o cu s s ed   o n   m i n i m izi n g   t h e  p o w er   d is s ip atio n   at  d if f er en t   lev els  an d   ar e  cir cu it,  ar ch it ec tu r e,   la y o u t,  an d   p r o ce s s   tech n o lo g y   le v el.   So m e    r esear ch er s   ar e  clai m ed   th at  r ea s o n ab le  a m o u n t  o f   p o w er   s a v i n g   ca n   b e   attain ed   at   t h e  cir cu it  d esi g n   lev el   b y   p r o p er l y   c h o o s in g   a  lo g ic   s t y le   f o r   i m p le m en t in g   co m b i n atio n a l    cir cu its   [ 1 ] .   T h e  s a m e   w as  o b s er v ed   w h ile   i m p le m e n ti n g   v ar io u s   f l ip - f lo p   cir cu it s   u s i n g   C M OS  tr a n s i s to r s   w it h   v o ltag e  a n d   g ate  s ize  s c alin g   tech n iq u e  t h at  r ed u ce s   p o w er   d is s ip atio n   w it h o u t  d is to r tin g   t h e  n o r m a l   f u n ctio n   o f   t h e  b asic f l ip - f lo p s   [ 2 ] .   L F SR   u s es  f lip - f lo p s ,   w h ich   a r e  to   b e  co n n ec ted   i n   s er ies  al o n g   w i th   a  f ee d b ac k   cir cu it  c o n s tr u cte d   ac co r d in g   to   g e n er ato r   p o ly n o m ial.   I n i tiall y   th e  p r i m ar y   s ee d   is   to   b e  lo ad ed   in   th e  o u t p u ts   o f   t h e  f l ip - f lo p s ,   an d   th e n   u s i n g   an   e x ter n al  c lo ck   a  r an d o m   s eq u e n ce   w ill   b e  g en er ated .   E ac h   clo c k   p u ls e  ca n   p r o d u ce   a   u n iq u e  p atter n   at  t h e  o u tp u t  o f   th e  f lip - f lo p s   ag ai n s t  to   t h e  te s t  in p u t.  T h e  n u m b er   o f   f lip - f l o p s   in   g e n er al  w ill  b e  ch o s en   ac co r d in g   to   th e  n u m b er   o f   in p u ts   r eq u ir ed   b y   th e  cir c u it  u n d er   test .   E ac h   in p u t  co m b i n atio n   b ec o m e s   a  test   p atter n   t h at  ca n   r u n   o n   th e  cir c u it  u n d er   test   f o r   d esire d   f au lt  co v er a g e.   I f   ea ch   in p u t  v ec to r   is   u n iq u e  a n d   n o   co r r elatio n   b etw ee n   t h e  s u cc es s iv e  v ec to r s   t h en   th e  ap p lied   s ti m u li  f o r   a  cir cu it  u n d er   test   ca n   r esu lt i n   m u c h   h i g h er   p o w er   co n s u m p tio n   b y   th e  d e v ice  th a n   th e  b u d g eted   p o w er .   I t  is   o b s er v ed   th at,   th er e  ar e   m a n y   i n n o v ati v e  id ea s   an d   s o lu tio n s   ar e  p u t  f o r th   f o r   th e  p o w er   o p tim izatio n   b y   m an y   r esea r ch er s   s u c h   as  r e v er s e  b o d y   b ias,  tr an s i s to r   s tac k in g ,   a n d   L F SR   d es ig n   w it h   p ar allel  ar ch itectu r e,   p ip elin i n g   an d   r eti m in g   al g o r ith m s   a n d   r ev er s ib le  lo g ic.   T h e  B I ST  co n tr o ller   co n s is ts   o f   a  test   p atter n   g en er ato r ,   w h i ch   ca n   b e  a  s tan d ar d   lin ea r   f ee d b ac k   r e g is ter ,   co u n ter ,   o r   ce llu lar   au to m ata.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   V o l.  7 ,   No .   1 ,  Ma r et   2 0 1 8  :   1   –   11   2   A i m i n g   at  p o w er   an d   h ar d w a r e  r ed u ctio n   a  test   p atter n   g en er ato r   F C - L FS R   [ 3 , 4 ]   is   d esi g n ed   th a t  g e n er ate s   in ter m ed iate  p atter n s   b et w ee n   th e  r an d o m   p atter n s .   A   n e w   p atter n   g e n er atio n   tec h n iq u e  is   i m p le m e n ted   f o r   lo w   p o w er   u s i n g   a  m o d i f ied   co n v e n tio n al   L F SR ,   i n   w h ic h   s h i f t  r eg i s ter s   m a y   b e  i m p le m en ted   b y   u s i n g   p u ls ed   latch e s   an d   f lip - f lo p s .   Ho w ev er ,   s h i f t   r eg is ter   i m p le m en ted   b y   p u l s ed   latch es  h a v e  p o w er   a n d   a r ea   p r o b lem s   . So ,   f lip   f lo p s   ar e  p r ef er r ed   o v er   p u ls ed   latch e s   [ 5 ] .     As  an   in h er e n t  b eh a v io u r   o f   f lip - f lo p s ,   t h eir   o u tp u t  at   an y   in s tan t   o f   t i m e   d ep en d s   o n   t h e  p r esen t  in p u t   as  w ell  a s   o n   p ast  o u tp u t,  h e n ce   t h e y   ar e  k n o w n   as   m e m o r y   ele m e n ts .   NOT ,   OR ,   AND,   NOR,   N A ND,   C MO S  latc h es  ar e  u s ed   to   b u ild   th ese  m e m o r y   ele m e n ts .   Var iet y   o f   ap p licat io n s   ca n   b e  s ee n   b y   f l ip - f lo p s ,   f o r   ex a m p le,   a  J K  f lip - f lo p   is   u s ed   i n   s eq u e n tial  c ir cu it s   as  d ata  p r o ce s s o r .   Sin ce   m aj o r it y   o f   th e  ap p licatio n s   o p er ate  o n   th e  b atter y   p o w er   d is s ip atio n   b ec o m e s   t h e  m aj o r   co n s tr ain ts   [ 6 , 7 ] .   R ec en t l y   r ep o r ted   lo g ic  s t y le   b ased   o n   f lip - f lo p s   [ 8 ]   clai m e d   th at   th e   co m p le m e n tar y   p as s - tr a n s i s to r   lo g ic  ( C P L )   to   b e  m u ch   m o r e  p o w er - e f f icien t  th a n   co m p l e m en tar y   C MO S.  Ho w e v er ,   th e  p er f o r m a n ce   i n   ter m s   o f   s p ee d ,   ar ea ,   p o w er   d is s ip atio n ,   a n d   p o w er - d ela y   p r o d u c ts   o f   e f f icie n t  C MO S   cir cu it  r ea lizatio n s   u s i n g   v ar iet y   o f   d i f f er en t   lo g i c  ce lls   [ 9 - 1 7 ]   d e m o n s tr ate   t h at   th e   C MO S  i s   s u p er io r   to   C P L .   Ho w e v er ,   t h er e  is   al w a y s   d e m a n d   f o r   n e w   tech n iq u e s   w it h   r esp ec t  to   lo w   p o w er   o r   lo w   ar ea   co n s id er atio n s ,   in   t h i s   p ap er   J K  f lip - fl o p   i s   r ed esi g n ed   u s i n g   v ar io u s   lo g ic   s t y les   s u ch   as  p ass   tr an s is to r s ,   an d   tr a n s m is s io n   g ates   w h ich   i s   d is cu s s ed   i n   s ec t io n   I I .   Ob s er v ed   th a t  t h e  i m p le m en ta tio n   o f     J K  f lip - f lo p   u s in g   co m p le m en tar y   C MO S  h as  a   p o w er - d ela y   p r o d u ct  less   t h a n   h alf   t h at  o f   th e  C P L   v er s io n .   Fu r th er   J K  f lip - f lo p   is   i m p le m en ted   u s i n g   GDI   lo g ic  an d   o b s er v ed   m u c h   g r ea ter   i m p r o v e m e n t  i n   t h e  p er f o r m a n ce .   L o w   v o lta g e,   lo w   a r ea ,   an d   s m all  d ela y   ar e  o f   co n ce r n ,   t h is   p ap er   s h o w s   t h at  GDI   b ased   J K  is   t h e  l o g ic  s t y le  o f   ch o ice  f o r   f u r th er   i m p le m en tatio n s   o f   D  FF   an d   L FS R   as  d is cu s s ed   i n   s ec tio n   I I I .   R esu lt s   an d   co m p ar is o n s   ar e  d is cu s s ed   in   s ec t i o n   I V.   C o n clu s io n s   ar e  in   s ec tio n   V.       2.   RE S E ARCH   M E T H O D:   RE DE SI G N  O F   J K   F L I P F L O P   USI N G   CM O S L O G I C   Si m i lar   to   R - S  f l ip - f lo p ,   J K  o u tp u t s   f o llo w   th e  i n p u t s   w h e n   th e  C lk   i s   o n .   I f   J   an d   K  ar e   d if f er en t   th en   th e   o u tp u t  Q  ta k es  th e  v a lu e  o f   J   at  th e  n e x t  clo ck   ed g e .   I f   J   an d   K  ar e  b o th   lo w   th e n   n o   ch a n g e  o cc u r s .   T o g g le  s tate  o cc u r s   w h en   J   an d   K  ar e  b o th   g iv en   a  h i g h   s tate .   T h is   eli m i n ates t h e  a m b i g u o u s   s tates r es u lted   i n   R S  f lip - f lo p .   F u r th er ,   t h is   to g g le   co n d itio n   f i n d s   m a n y   a p p licatio n s   i n   b in ar y   co u n ter s   an d   i n   f r eq u en c y   d iv is io n   th at  f o u n d   i n   p r escalar s .   On e  ca n   o b s er v e  a  p r o b lem   w it h   t h e  b asic  J - K  Fl ip - f lo p   is   th at  s p i k es  ca n   ap p ea r   o n   th e  o u tp u t  a n d   d u e   to   th ese  u n s tab le  s ta te  r esu lt s   w h e n   b o th   J   &   K  in p u ts   ar e  tied   to   lo g ic  „ 0 ‟ .   A  „ la tch ‟   c ir cu it   o f   ca n   b e  u s e d   to   av o id   t h is   s p ik e   h e n ce   o u t p u ts   Q   a n d   Q‟   ar e  i s o lated   f r o m   t h e  in p u ts   J   &   K  as  s h o w n   in   Fi g u r e  3 .   C ir c u i t  an d   co r r esp o n d in g   tr u t h   ta b le  o f   J - K  f l ip - f lo p   ar e  s h o w n   i n   F i g u r e  1   an d   T ab le  1 .           Fig u r e   1 .   Sch e m atic  o f   J K  f lip - f lo p       T ab le   1 .   T r u th   T a b le  o f   J K  Flip - f lo p   J   K   C L K   Q   0   0   ↑   Q ( N o   C h a n g e )   1   0   ↑   1   0   1   ↑   0   1   1   ↑   Q B ( T o g g l e s)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864         B I S T   A r ch itectu r e  u s in g   A r ea   E fficien t Lo w   C u r r en t  LFS R   fo r   E mb e d d ed   Memo r y  Tes tin g …   ( M.P a r va th i )   3   T h e  p r o p o u n d ed   C MO S  b ased   J K  s ch e m atic  cir c u it  is   s h o w n   in   Fi g u r e   2   is   d esig n ed   b y   u s i n g   s tr o n g   1   ( p u ll  u p )   an d   s tr o n g   0   ( p u ll  d o w n )   tr an s i s to r s   n a m el y   p MO S  an d   n MO S  tr an s i s to r s .   I t  u s e s   2 0   tr an s is to r s ,   o u t  o f   th e m   1 0   ar e  n MO S  tr an s i s to r s   an d   1 0   ar e   p MO S  t r a n s i s to r s .   T h e  ef f o r ts   ar e  d o n e  to   g iv e  th e  co m m o n   VDD  s u p p l y   to   r ed u ce   th e  p o w er .   C o r r esp o n d in g   ti m i n g   d ia g r a m ,   is   s h o w n   i n   Fi g u r e s   3 - 5   r esp ec tiv el y         Fig u r e   2 .   Sch e m atic  o f   C MO S   b ased   J K  f lip - f lo p           Fig u r e  3 .   T r an s ien t  w a v e f o r m   o f   C MO S b ased   J K            Fig u r e   4 .   Mic r o w in d   b ased   s i m u lated   w a v e f o r m   f o r   J K  f lip - f lo p   u s i n g   C MO S lo g ic   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   V o l.  7 ,   No .   1 ,  Ma r et   2 0 1 8  :   1   –   11   4   2 . 1 .   J K   f lip f lo p us ing   G D I   ( G a t e  diff us io n in pu t )   lo g ic   GDI   m et h o d o lo g y   allo w s   i m p l e m en tatio n   o f   a  w id e  r an g e  o f   co m p le x   lo g ic  f u n ctio n s   u s in g   o n l y   t w o   tr an s i s to r s .   C o m p ar ed   to   tr ad i tio n al  C MO S  lo g ic,   an d   ex i s t in g   P T L   th e  co m b in a to r ial  an d   s eq u en tial  lo g ic   d esig n ed   b y   G DI   r esu lted   i n   s i g n i f ica n t r ed u ctio n   in   ar ea   an d   p o w er   d is s ip atio n .   T h e  m ai n   d r a w b ac k s   a s s o cia ted   w i th   GDI   i n cl u d e:  T h e  b u lk   ter m i n al s   ar e  n o t  p r o p e r l y   b iased   th er eb y   th e  cir c u it  ex h ib it s   t h r es h o ld   d r o p   an d   v ar iatio n   in   Vt.   B ec au s e  o f   f lo ati n g   b u l k ,   th e  ce ll s   ca n   b e   i m p le m en ted   i n   SOI   p r o ce s s ,   w h ic h   w o u ld   in cr ea s e   th e   co s t  o f   t h e  f ab r icatio n .   T h es e  d e m er its   ca n   b e  o v er co m e  b y   p er m a n en tl y   co n n ec ti n g   t h e  b u lk   ter m in al s   P M OS  to   V DD  a n d   N M OS  to   G ND  w h ic h   r eso l v es   th e  t h r esh o ld   v ar iatio n .   T h is   c o n f i g u r atio n   p r o v id es  s u itab il i t y   f o r   f ab r icatin g   t h e  lo g ic  ce l ls   in   C MO S  p - w el l  an d   n - w ell  p r o ce s s .   E v e n   to d ay   s o m e  I C   f ab r icato r s   u s e s   C MO S  as  th eir   c h o ice  d u e  to   its   ea s i n e s s   i n   ac h iev in g   r eq u ir ed   tr an s i s to r   s izin g   u s in f   n ec e s s ar y   v o lta g e  s ca lin g   i n   o r d er   to   im p r o v e  th e  r eliab ilit y   at  lo w   v o ltag e s .   On e  o f   th e  d r a w b ac k s   o f     C MO S  is   u s e  o f   lar g e  P MO S  tr an s is to r s   t h at    r esu lts     in   h ig h   in p u t  lo ad s   at  h ig h   o p er atin g   f r eq u en c y   w h ic h   in   t u r n   in cr ea s es  th e  ci r cu it  p o w er   d is s ip atio n .   T h e  p r o p ag atio n   d elay   is   s lig h tl y   h ig h er   w h e n   co m p ar ed   to   o th er   lo g ic  f a m il y   d u e  to   its   lar g er   n o d e  ca p ac itan ce s .   Sch e m atic  o f   GD I   b ased   J K  FF ,   co r r e s p o n d in g   ti m i n g   d ia g r a m ,   a n d   s i m u lat io n   o n   la y o u t a r e  s h o w n   in   F ig u r e s   6 - 8.               Fig u r e  6 .   Sch e m atic  o f   GDI   b ased   J K  FF         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864         B I S T   A r ch itectu r e  u s in g   A r ea   E fficien t Lo w   C u r r en t  LFS R   fo r   E mb e d d ed   Memo r y  Tes tin g …   ( M.P a r va th i )   5       Fig u r e   7 .   T r an s ien t  w a v e f o r m   f o r   GDI   b ased   J K           Fig u r e  8 .   Si m u latio n   r esu l ts   f o r   GDI   b ased   J K       2 . 2 .  J K   f lip f lo p us ing   pa s s   t r a ns is t o r  lo g ic  ( P T L )   I n   C M OS  lo g ic  t h e  tr a n s i s to r s   ar e  co n n ec ted   d ir ec tl y   to   p o w er   s u p p l y   h e n ce   t h e  ac tiv e   d ev ices   ar e   m o r e   th a t  ca u s es   t h e  co n t in u o u s   lea k a g e  c u r r en t  f lo w   w it h in   t h e  cir c u it.  I n   co n tr as t  t o   th is ,   in   P T L   th e   tr an s i s to r s   ar e  u s ed   a s   s w i tch es  to   p ass   la g o ic  le v el s   b et w e en   n o d es  o f   a  cir cu it  s u c h   t h a t  n u m b er   o f   ac ti v e   d ev ices  ar e  r ed u ce d .   Sin ce   th e  lo g ic  co m p r is e s   w ith   tr a n s is to r s   as  s w i tch e s   P T L   n ee d s   less er   n u m b er   o f   tr an s i s to r s   co m p ar e  to   t h e  d es ig n   u s i n g   C MO S,  w h ich   r esu l ts   i n   lo w   p o w er   d is s ip atio n ,   l ess   ar ea ,   les s   d ela y   an d   also   les s   in ter co n n ec t  e f f ec ts .   T h e  d r a w b ac k   s ee n   i n   P T L   is   th e  d i f f er e n ce   o f   t h e  v o ltag e  b et w ee n   h i g h   an d   lo w   lo g ic  le v el s   d ec r ea s e s   at  ea c h   s ta g e.   T h is   i s   b ec a u s e  t h e  tr a n s i s to r   in   s er ies   is   l ess   s atu r ated   a t  it s   o u tp u t  t h an   a t  its   i n p u t,  th i s   e f f ec t  is   m o r e  p r o n o u n ce d   w h e n   s e v er al  d ev ice s   ar e  ch ai n ed   in   s er ie s   in   a  lo g ic   p ath .   Hen ce   a  co n v e n tio n al  g a te  m a y   b e  r eq u ir ed   to   r esto r e  th e  s i g n al  v o ltag e  to   t h e  f u ll  v a lu e.   I n s p ite  o f   t h i s ,   PT L   ( P ass   T r an s is to r   L o g ic)   i s   m o s t  p o p u lar   f o r   lo w   p o w er   d ig ital  c ir cu it s .   So m e  o f   th e  m ai n   ad v a n ta g es  o f   PT L   o v er   s tan d ar d   C MO S  d esig n   ar e  h ig h   s p ee d ,   d u e  to   th e  s m all  n o d e  ca p ac itan c es  an d   lo w   p o w er   d is s ip atio n   b ec au s e   o f   th e   r e d u ce d   n u m b er   o f   tr a n s i s to r s .   A n   ad d ed   ad v an ta g e  i s   lo wer   in ter co n n ec tio n   ef f ec ts   d u e  to   a  s m all  ar ea .   T h e  P ass   T r an s is to r   L o g ic   ( P T L )   cir cu it  o f f er s   b etter   c h ar ac ter is tics   th a n   s tatic   C M OS.   P T L   ca n   i m p le m en t   m o s t  f u n ctio n s   w i t h   f e w er   tr an s is to r   co u n ts ,   th u s   r ed u cin g   t h e  o v er al l  ca p ac it an ce ,   w h ich   r e s u l ts   in   f aster   s w itc h in g   ti m e s   an d   l o w   p o w er   d is s ip atio n .   T h e  g e n er al  is s u e  p er tai n i n g   to   t h is   P T L   lo g ic  is   v o ltag e   v ar iatio n   d u e  to   th r es h o ld   d r o p   o w i n g   to   s er ies  r esi s ta n ce   b et w ee n   i n p u t  a n d   o u tp u t.  T h ese  d e m er it s   w er e  s u r m o u n ted   u s i n g   C o m p le m e n tar y   P ass - T r an s is to r   L o g ic  ( C P L )   an d   S w i n g   R e s to r ed   P a s s - T r an s is to r   L o g ic   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   V o l.  7 ,   No .   1 ,  Ma r et   2 0 1 8  :   1   –   11   6   ( SR P L ) .   Ho w e v er   th i s   lo g ic  p r o d u ce d   lar g er   s h o r t  cir cu it  cu r r en ts ,   h ig h   tr an s is to r   co u n t   to   r ea lize  a  s im p le   g ate  a n d   h ig h   w ir in g   o v er h ea d   d u e  to   t h e  d u al - r ail  s ig n al s .   T w o   i n p u t a n d   th r ee   in p u t N AN D  in   P T L   lo g ic  ar e  s h o w n   in   F i g u r e s   9   an d   1 0   r esp ec tiv el y .   J K  F L ip f lo p   u s i n g   PT L   lo g ic  is   s h o w n   in   F ig u r e   11.           Fig u r e   9 .   C r itical  p ath   f o r   PT L   u s i n g   t w o   i n p u t  n a n d   g ate           Fig u r e  1 0 .   Sch e m at ic  o f   P T L   u s i n g   th r ee   i n p u t  n an d   g a te           Fig u r e  1 1 .   Sch e m at ic  o f   J K  f li p - f lo p   u s in g   P T L   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864         B I S T   A r ch itectu r e  u s in g   A r ea   E fficien t Lo w   C u r r en t  LFS R   fo r   E mb e d d ed   Memo r y  Tes tin g …   ( M.P a r va th i )   7       Fig u r e   1 2 .   DSC H  b ased   s i m u l ated   w av e f o r m   f o r   J K  f lip - f lo p   u s in g   P T L           Fig u r e  13.   MI C R OW I ND  b ased   s i m u lated   w av e f o r m   f o r   J K  f lip - f lo p   u s in g   P T L       T h e  d is ad v an ta g es   o f   P T L   l o g ic  d esi g n   ar e  O u tp u t   ch ar g es  o n l y   u p   to   VDD  -   VT H  as  s ee n   in   Fig u r e  13,   th er ef o r e  ca s ca d e  d esig n s   f u r th er   d eg r ad es  t h e  p er f o r m a n ce .   T h e  t h r esh o ld   v o ltag e  d r o p   ac r o s s   th e  s in g le  c h a n n el   p ass   tr an s i s to r   p r o d u ce s   lo w   d r iv e  c u r r en t  t h at  ca u s e s   s lo w   o p er atio n   at  r ed u ce d   p o w er   s u p p l y .   He n ce ,   t h e  h ig h   lo g ic  lev el  at  t h e  r eg e n er ati v e   i n v er t er   is   n o t  a  f u ll  VDD,   w h ic h   ca u s e s   p MO S  d ev ice   in   t h e  i n v er ter   to   s w i tch   p ar tia ll y   O FF   w h ic h   i n t u r n   lead s   to   s i g n i f ica n t  s tatic  p o w er   d is s i p atio n   d u e  to   d i r ec t   p ath   b et w ee n   s u p p l y   r ails .       T ab le  2 .   C o m p ar is o n   f o r   J K  f l ip   f lo p   d esig n   p er f o r m an ce   L o g i c  u s ed   f o r   J K  FF   C P D, n s   P D, d y n , μ W   P D, s tat,   μ W   P D, to t,  μ W   I D m ax , m A   A r ea , u m 2   C MO S   6 . 0 8   2 1 . 1 2 8   9 . 7 7 8   3 0 . 9 0 6   2 . 6 6 0   4 2 8 . 4   GDI   4 . 5 7 0   1 4 . 5 3   1 3 . 0 0 6   2 7 . 5 3 6   0 . 0 6 1   4 1 4 . 5   PT L   1 . 3 8 5   7 2 . 6 0 2   7 3 . 2 7 9   1 4 5 . 8 8 1   0 . 9 5 7   3 6 0 . 1       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   V o l.  7 ,   No .   1 ,  Ma r et   2 0 1 8  :   1   –   11   8   Fro m   T ab le  2   o n e  ca n   o b s er v e  th a t  C MO S  h a s   lo w er   C r i tical  P ath   Dela y   co m p ar ed   to   o th er   t w o   f o llo w ed   b y   P T L   th en   G DI .   T h is   is   b ec au s e,   t h e  o u tp u t  to   in p u t  d ela y   p ath   h as  i n v er ter   in   t h e  ca s e  o f   GDI ,   o n e  MO S  tr a n s i s to r   in   th e   c ase  o f   P T L .   Ho w e v er ,   i n   t h e  ca s e  o f   C MO S   d esi g n   n o   d ev ice  ap p ea r s   in   th e  c r itical   d ela y   p at h ,   h en ce   less   d ela y   r es u lt s .   C MO S  e x h ib it s   m ed iu m   P o w er   d is s ip atio n ,   P T L   ex h ib it s   m o r e  p o w er   d is s ip atio n   t h a n   o th er   t w o ,   w h er ea s   GDI   r esu lt s   i n   less   p o w er   d is s ip ati o n .   PT L   h as  f e w  tr an s i s to r s   co m p ar e  to   C M OS  an d   GDI   h e n ce   e x h ib its   le s s   a r e a  o cc u p atio n .   C o m p ar e  to   P T L   an d   C MO S  les s   cu r r en t  r eq u ir e m e n t  r es u lt s   i n   GDI .   Hen ce ,   f o r   le s s   p o w er   d is s ip atio n   a n d   le s s   c u r r en t   r eq u ir e m e n ts   o n e  ca n   ch o o s e  GDI   lo g ic.   Fo r   less   ar e a  r eq u ir e m en t,  o n e  ca n   ch o o s e   PT L .       3.   E F F I CI E N T   L O W  C URR E NT   L F S R   A   co n v e n tio n al  L F SR   s h o w n   in   F ig u r e  1 4   co n s is t s   o f   D  F li p f lo p   ( d at a  o r   d elay   f l ip f lo p )   w h er e  D  is   a  s i n g le   d ata  i n p u t   i n   ad d itio n   to   t h e   clo ck   in p u t.  I t ‟ s   a   m o d if ied   cir cu it   o f   clo ck ed   R S  f lip f lo p   u s in g   NO R   g ates.  T h e  D  i n p u t  g o es   d ir ec tl y   to   S  in p u t  an d   i ts   co m p le m en t  t h r o u g h   NOT   g ate,   is   ap p l ied   to   th e  R   in p u t.   T h e  in p u t  v alu e   D  r ea ch e s   th e   o u tp u t  o n l y   w h e n   i n p u t  clo c k   ch a n g es.  I n itiall y   b o th   A N D  g ates   ar e  d is ab led   f o r   clo ck   lo w   s i g n a l,  h en ce   D   ca n   ch an g e  v al u es  b u t  Q  w il l  n o t  ef f ec t.  W h en   th e  clo c k   is   h i g h ,   b o th   A N D   g ates  ar e  e n ab led   th e n   Q   is   f o r ce d   eq u al  to   D.   B u t  w h e n   th e  clo c k   ag a i n   g o es  lo w ,   Q  r etain s   o r   s to r es   th e  p r ev io u s   v al u e  o f   D.   C o r r esp o n d in g   tr u t h   tab le  is   s h o w n   in   T ab le  3 .           Fig u r e  1 4 .   C ir cu it f o r   D  f lip - f l o p   u s in g   b asic g ate s       T ab le  3 .   T r u th   T a b le   o f   D  Flip - f lo p   D   C L K   Q   0   0   0   0   1   0   1   0   0   1   1   1       T h er e  is   a  s p ec ial   t y p e  o f   s h i f t  r eg is ter   ca l led   lin ea r   f ee d b ac k   s h if t   r eg i s ter   ( L FS R ) .   T h e  n a m e   in d icate s   th at   s u ch   s h i f t  r e g is ter   h as   a  f ee d b ac k ,   w h ich   is   a  lin ea r   f u n ct io n   ( u s u all y   XO R )   o f   i ts   i n p u t  a n d   cu r r en t  s tate.   L FS R s   ar e  m o s tl y   u s ed   f o r   g en er atio n   o f   p s eu d o - r an d o m   s eq u en ce s   th at  f i n d   ap p licatio n   in   cr y p to g r ap h y ,   cir c u it  test in g   an d   d ig ital  co m m u n icatio n   a m o n g   o th er s .   T h e  f ee d b ac k   f u n ct io n   o f   L F SR   i s   u s u all y   r ep r esen te d   w it h   ch ar ac ter is tic  p o l y n o m ial.   W h e n   t h e  p o l y n o m ial  is   k n o w n ,   t h er e  ar e  t w o   w a y s   to   i m p le m en t  L FS R :  as  F ib o n ac c i  t y p e  L FS R   o r   as  Galo is   t y p e  L F SR .   A   4 - b it  Fib o n ac ci  t y p e  L F SR   i s   s h o w n   i n   Fig u r e  1 5 .   T h e  v alu e  o f   th e  h ig h e s t  d eg r ee   in   th e  p o l y n o m ial  i n d ica tes  th e  s ize  o f   L F SR   ( f o u r   b its   i n   th i s   p ar ticu lar   ca s e) .   T o   c o n s tr u ct  a  Fib o n ac ci  t y p e  L F SR   f r o m   a  g iv e n   c h ar ac ter is tic  p o l y n o m ial  t h e  f lip - f lo p s   i n   th e  s h i f t   r eg i s ter   ar e  n u m b er ed   s eq u en tiall y   s tar tin g   f r o m   a  f lip - f lo p   t h at  i s   clo s e s t  to   th e   i n p u t.  T h e  o u tp u t  o f   ea ch   n u m b er ed   f lip - f lo p   ca n   t h en   b e  m ap p ed   to   ter m s   o f   th e  p o ly n o m ial  w it h   th e  co r r esp o n d in g   p o w er   ( as  it  is   s h o w n   i n   Fi g u r e  1 ) .   T h e  ter m   1   ( ess en tiall y   X0   )   in   th e  p o ly n o m ial   is   m ap p ed   to   th e  d ata  in p u t  o f   th e  L F SR .   T h e  o u tp u t s   o f   th e   f lip - f lo p s   th a t  co r r esp o n d   to   th e  ter m s   w h ic h   ar e  p r ese n t  i n   t h e  c h ar ac ter is ti c   p o ly n o m ia l a r e  th e n   XOR - ed   t o g eth er   to   f o r m   t h e  f ee d b ac k   o f   L FS R .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864         B I S T   A r ch itectu r e  u s in g   A r ea   E fficien t Lo w   C u r r en t  LFS R   fo r   E mb e d d ed   Memo r y  Tes tin g …   ( M.P a r va th i )   9       Fig u r e  1 5 .   C ir cu it f o r   4 - b it c o n v e n tio n al  L FS R       Qu ite  o f ten   L F SR s   ar e  d esig n ed   as  p u r e  g en er ato r s   w it h o u t  d ata  in p u t.  I n   t h is   ca s e  in p u t  D  ( X0   )   is   o m itted   f r o m   t h e  f ee d b ac k   e q u atio n   ( ev e n   th o u g h   it  is   al w a y s   p r esen t  in   th e  c h ar ac ter is tic  p o ly n o m ial) .   Fo r   s u c h   co n f ig u r atio n   o f   th e   L F SR   th e   f ee d b ac k   i s   co m p let el y   d eter m in ed   b y   i ts   c u r r en t   s tate.   Si n ce   t h e  to ta l   n u m b er   o f   p o s s ib le  s tates  is   f i n ite  ( e. g .   a  4 - b it  L FS R   h a s   2   4   - 1 =1 5   p o s s ib le  s tates  ex cl u d in g   t h e  o n e  w it h   all  ze r o s )   an d   th e  o p er atio n   o f   th e  L FS R   is   d eter m in i s tic,   at   s o m e  p o in t  L F SR   w il l  g et  i n to   its   i n itial  s tat e     ( th e  s ee d )   an d   w ill  s tar t  to   r ep ea t  th e  s a m e  s eq u en ce   o f   s tate s   all  o v er   ag ain .   T h e  len g t h   o f   th is   c y cle  d ep en d s   o n   t h e  s elec ted   ch ar ac ter is tic   p o l y n o m ial.   Fo r   ex a m p le,   c h ar ac ter is tic   p o l y n o m ial   X4   +  X3   +  1   p r o d u ce s   a  m a x i m u m   s eq u e n ce   o f   all   1 5   s tates  ( e x clu d i n g   t h e  al l  ze r o s   s tate)   b e f o r e  en ter i n g   a  r ep ea t  c y cle.   C o r r esp o n d in g   s i m u latio n   d iag r a m   f o r   L FS R   is   s h o w n   in   F ig u r e   1 6 .   A n   ar ea   ef f icie n t    lo w   cu r r e n t  L FS R   i s   s h o w n   i n   Fi g u r e   1 7 ,   in   w h ic h   D  f l ip f lo p s   ar e  d esi g n ed   u s in g   GDI   lo g ic.   C o r r s p o n d i n g   s i m u latio n   r e s u l ts   ar e   s h o w n   in   F ig u r e   18.           Fig u r e  1 6 .   Si m u latio n   r es u lt s   f o r   4 - b it c o n v en tio n al  L FS R           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   V o l.  7 ,   No .   1 ,  Ma r et   2 0 1 8  :   1   –   11   10       Fig u r e 1 7 .   C ir cu it  f o r   4 - b it a r ea   ef f ic ien t lo w   c u r r en t  L F SR           Fig u r e   1 8 .   Si m u latio n   r es u lt s   f o r   ar ea   ef f icien t lo w   c u r r en t  L FS R       T ab le   4 .   R e s u lts   a n d   C o m p ar i s o n s   f o r   L F SR   L o g i c   u se d   C P D ,   ns   P D ,   w   I D D ,   m A   A r e a , u m 2   C M O S -   L F S R   5 . 4 9   0 . 1 3 2 m   1 . 3 2 4   4 1 6   G D I   -   L F S R   1 1 . 4 3 0   0 . 1 7 5 m   0 . 1 5   7 9 . 1 9   %o f   I mp r o v e me n t   5 1 . 9   2 4 . 5 7   8 8 . 6 7   8 0 . 9 6       4.   RE SU L T S   A ND  AN AL Y SI S   T h o g h   P T L   is   f as ter   co m p ar e  to   o th er   t w o   lo g ic  d esi g n s   f r o m   T ab le  3 ,   it  is   in e f f icie n t  f o r   lo w   p o w er   ap p licatio n s .   Si n ce   th e  o v ed r a ll  p o w er   d is s ip atio n ,   c u r r en t  a n d   ar ea   r eq u ir ed   o b s er v ed   ar e   less   in   GDI   lo g ic,   it  is   ch o s en   f o r   t h e   d esig n   o f   p r o p o s ed   L FS R .   De s p ite   to   t h e  s m al l  i n cr e m e n t   in   p o w er   d is s ip atio n ,   th e  r esu l tin g   GDI   b ased   L FS R   is   o b s er v ed   w ith   co n s is ten t  b eh av io r   in   t h e  p er f o r m an ce   i n t e m s   o f   lo w   c u r r en t   o f   8 8 . 6 7 % a n d   less   ar ea   o f   8 0 . 9 6 % c o m p ar e d   w it h   tr ad itio n a l CMOS d esi g n .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.