桶式移位器
2024-01-03 16:41:15
前言
本篇文章介绍CPU的核心部件之一:桶式移位器,简称BS,英文全称为Barrel Shifter
桶式移位器最大的特点就是能在单周期内完成多种方式,各种位数的移位操作
常见的移位操作
常见的移位操作种类如下:
- 算术右移
是指数据向右移位,左侧用符号位补齐 - 逻辑右移
是指数据向右移位,左侧用0补齐 - 算术左移和逻辑左移
是指数据向左移动,右侧用0补齐 - 循环右移
是指数据向右移动,左侧用用测移出的位补齐
比如1011 0101,循环右移两位就会变成 0110 1101
注意:循环左移可以通过循环右移来实现,对于n位数据,循环左移m位就相当于循环右移n-m位
桶形移位器的实现方式
下面这张图是我从网上找的,链接地址在这里
这张图可以非常形象的说明桶形移位器的电路逻辑,先对里面的各种值进行一下说明:
- S C i SCi SCi:表示移位的位数,对于支持n位移位的移位器来说,有n个 S C i SCi SCi,如果想要移动m位,只需要 S C m SCm SCm设置为1,别的 S C i SCi SCi为0即可。
- a i ai ai:输入的待移位的数的二进制位,对于64位的移位器,需要64个输入
- a ′ i a'i a′i:输出的移位的数的二进制位,对于64位的移位器,需要64个输出
- S i n 1 Sin1 Sin1:输入的移位标志,右移为1,左移为0
- i n 1 in1 in1:一个逻辑与门,输入端为 a i ai ai和 S i n 1 Sin1 Sin1,表示的意思是右移时输出为 a i ai ai,左移时输出为0
- D 0 / 1 D0/1 D0/1:右移时左侧填补的位,如果是算术右移就连接的是 a i ai ai的最高位,逻辑右移就是0
- S i n 2 Sin2 Sin2:左移或者循环右移的时候为1,否则为0
- S i n 2  ̄ \overline {Sin2} Sin2: S i n 2 Sin2 Sin2的非
-
i
n
2
in2
in2:由两个与门一个或门组成的逻辑电路,如下图所示:
用公式表示输出$$KaTeX parse error: Can't use function '$' in math mode at position 5: in2i$?为: in2i = Sin2 \cdot ai+\overline {Sin2}\cdot D0/1$$
i n 2 in2 in2的作用可以描述如下:
- 右移时为0或者符号位,去填补左侧移出的空位
- 左移时为输入值,用于实现左移,在到达 i n 2 in2 in2之前没有左移的逻辑
案例分析: 循环右移两位
我们按照上图的标记进行分析,以 a 7 a7 a7位为例,因为是循环右移,所以我们先把对应的值确定一下:
- 循环右移, S i n 1 Sin1 Sin1=1,所以 i n 1 in1 in1在 a 7 a7 a7的输出为1
- 循环右移, S i n 2 Sin2 Sin2=1, S i n 2  ̄ \overline {Sin2} Sin2=0, D 0 / 1 D0/1 D0/1不重要了,因为 S i n 2  ̄ \overline {Sin2} Sin2=0,所以 S i n 2  ̄ ? D 0 / 1 \overline {Sin2}\cdot D0/1 Sin2?D0/1=0,也就是 i n 2 in2 in2的值完全取决于 a i ai ai
- 右移两位,所以 S C 2 SC2 SC2==1,其余都为0
接下来看流程,为了方便,我们再次拷贝一下上面的图:
- i n 1 in1 in1在 a 7 a7 a7的输出 i n 1 in1 in1的值
- 跟着电路走,直到到 S C 2 SC2 SC2接触点的时候,因为 S C 2 SC2 SC2=1,所以开关接通
- a 7 a7 a7的值从 a ′ 5 a'5 a′5输出
- 同理
a 7 a7 a7的值从 a ′ 5 a'5 a′5输出
a 6 a6 a6的值从 a ′ 4 a'4 a′4输出
a 5 a5 a5的值从 a ′ 3 a'3 a′3输出
a 4 a4 a4的值从 a ′ 2 a'2 a′2输出
a 3 a3 a3的值从 a ′ 1 a'1 a′1输出
a 2 a2 a2的值从 a ′ 0 a'0 a′0输出 - 然后看 a 1 a1 a1,虽然在 i n 1 in1 in1也输出了 a 1 a1 a1的值,但是没有到 S C 2 SC2 SC2就已经跑出电路了,另一条输出到了上面的 a 1 a1 a1,进入 i n 2 in2 in2电路,此时根据上面的数值我们知道 i n 2 in2 in2电路输出 a 1 a1 a1的值,然后该值沿着电路往左下方走,直到到 S C 2 SC2 SC2,因为 S C 2 SC2 SC2=1,所以开关接通, a 1 a1 a1的值从 a ′ 7 a'7 a′7输出
- 同理,我们可以分析 a 0 a0 a0的值从 a ′ 6 a'6 a′6输出
- 这样,循环右移便完成了。
C语言描述
下面给出桶式移位器的C语言描述,git地址
extern long bs(long in_1,long type,long num);
extern void bs_test(void);
#include "alu.h"
long bs(long in_1,long type,long num)
{
long sin1=0;// 右移才会为1
long sin2=0;// 左移/循环右移才会为1
long sin3=0;// 右移才会为1
long d0=0; // 右移才有意义,逻辑右移为0,算术右移为最高位
num%=(sizeof(long)*8);
switch (type) {
case 0:// 逻辑左移
sin1=0;
sin2=1;
sin3=0;
d0=0;
num =(sizeof(long)*8-num);
break;
case 1:// 逻辑右移
sin1=1;
sin2=0;
sin3=1;
d0=0;
break;
case 2:// 算术右移
sin1=1;
sin2=0;
sin3=1;
d0=in_1>>(sizeof(long)*8-1);
break;
case 3:// 循环右移
sin1=1;
sin2=1;
sin3=1;
d0=0;
break;
default:
break;
}
// 每个位都会输出,为了左移或者循环右移
long a = in_1;
// 默认输出为0,只有发生移动才会有值
long in1 = 0;
// 计算in1的输出,如果不是右移,原样输出
// 使用-1来表示位都是1的情况
if(sin1!=0)
{
unsigned long temp = in_1;
in1 = (temp>>num);
}
// 下面的三步走的in2的电路
long in2_1 = alu_and(a, sin2==0?0:-1, sizeof(long)*8);
long in2_2 = alu_and(sin3, d0, sizeof(long)*8);
long in2 = alu_or(in2_1, in2_2==0?0:-1, sizeof(long)*8);
in2 <<=(sizeof(long)*8-num);
return in2|in1;
}
下面是一个测试例子:
void bs_test(void)
{
printf("bs test start:\n");
for(int i = 0;i<sizeof(long)*8;i++)
{
long r1 = bs(1, 0, i);
printf("\t1 move left %d:%ld\n",i,r1);
}
for(int i = 0;i<sizeof(long)*8+1;i++)
{
long r1 = bs(-1, 1, i);
printf("\t1 move right logic %d:%ld\n",i,r1);
}
for(int i = 0;i<sizeof(long)*8+1;i++)
{
long r1 = bs(-1, 2, i);
printf("\t1 move right arithmetic %d:%ld\n",i,r1);
}
long a = 0xAAAAAAAAAAAAAAAA;
for(int i = 0;i<sizeof(long)*8+1;i++)
{
long r1 = bs(a, 3, i);
printf("\t1 move right loop %d:%ld\n",i,r1);
}
printf("bs test end\n");
}
文章来源:https://blog.csdn.net/b1049112625/article/details/135365003
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