逻辑运算加法器

2023-12-25 18:35:09

前言

逻辑门本质上操作的是单个二进制数,通过高低电压或者有无信号来表示,并且,因为二进制数的原因,一个数字,我们可以通过二进制数来表示,整数可以精确表示,浮点数可以近似表示
本篇文章使用逻辑门来构建加法器
git地址:https://gitlab.com/lingyanTools/comvirtual.git

加法器

先来看整数,一个二进制整数是怎么进行加法运算的呢?
看下面两个二进制数
A = 101 (十进制) = 01100101 (二进制) A = 101(十进制) = 01100101(二进制) A=101(十进制)=01100101(二进制)
B = 201 (十进制) = 11001001 (二进制) B = 201(十进制) = 11001001(二进制) B=201(十进制)=11001001(二进制)
我们从右边开始往左侧进行计算,计算相应的位,如果大于1,则进位,整个流程如下:

  1. 默认进位是0
  2. 1 + 1 + 进位0 = 0,进位1
  3. 0 + 0 + 进位1 = 1,进位0
  4. 1 + 0 + 进位0 = 1,进位0
  5. 0 + 1 + 进位0 = 1,进位0
  6. 0 + 0 + 进位0 = 0,进位0
  7. 1 + 0 + 进位0 = 1,进位0
  8. 1 + 1 + 进位0 = 0,进位1
  9. 0 + 1 + 进位1 = 0,进位1

因为最后有个进位,所以最终的结果位100101110 = 302 = 101 + 201
很容易发现,对于二进制的加法的每一位操作,有两个值需要我们确定,一个是当前的进位值 C i C_i Ci?,一个是当前的计算值 F i F_i Fi?,可以用下面的公式表示:
{ F i = ( X i 异或 Y i ) 异或 C i ? 1 , C i = ( X i 与 C i ? 1 ) 或 ( Y i 与 C i ? 1 ) 或 ( X i 与 Y i ) \begin{cases} F_i = (X_i 异或 Y_i) 异或 C_{i-1},\\ C_i = (X_i 与 C_{i-1}) 或 (Y_i 与 C_{i-1}) 或 (X_i 与 Y_i ) \end{cases} {Fi?=(Xi?异或Yi?)异或Ci?1?,Ci?=(Xi?Ci?1?)(Yi?Ci?1?)(Xi?Yi?)?

用电路表示 F i F_i Fi?的值为:
在这里插入图片描述

用电路表示 C i C_i Ci?的值为:
在这里插入图片描述

我们把通过输入 X i X_i Xi? Y i Y_i Yi? C i ? 1 C_{i-1} Ci?1?获取输出$F_i 和 和 C_i$用C语言表示如下:

/**
 * 全加器
 * 输入两个二进制位,其实就是两根电路
 * 输入进位位:c
 * param:
 * f:输出值
 * c1:输出进位值
 * 返回加法位
 */
void full_add(long x,long y,long c,long* f, long* c1)
{
    long a = xor_gate(x, y);
    *f = xor_gate(a, c);
    
    long b1 = and_gate(x, c);
    long b2 = and_gate(y, c);
    long b3 = and_gate(x, y);
    *c1 = or_gate(or_gate(b1, b2),b3);
}

这个电路组合叫做全加器

串位进位加法器

上述的全加器可以计算一位的加法,我们把每位的运算连起来,就是我们上面计算过程列出的那样,从右向左依次计算,假设我们需要满足一个64位的加法器,我们可以用64个全加器串行连接起来,下图中n=64:
在这里插入图片描述

这种连接方式叫做串位进位加法器
这样我们的64位加法器就可以用C语言描述了

/**
 * 逻辑运算器的加法
 * param:
 * in_1:输入1
 * in_2:输入2
 * bits:选择执行加法的位数
 * 初始进位,并且返回执行后的进位
 * return: 返回输出结果
 */
long alu_add(long in_1, long in_2, long bits,long* c)
{
    long result = 0;
    for(int i = 0;i<bits;i++)
    {
        long x = alu_bit(in_1, i); // 获取输入1的第i位
        long y = alu_bit(in_2, i); // 获取输入2的第i位
        long f = 0;
        full_add(x, y, *c, &f, c);
        result |= f<<i;
    }
    return result;
}

/**
 * 获取二进制位
 * param:
 * in_1:输入的数据
 * bits:获取哪一位的二进制位,0~sizeof(long)-1
 * return
 * 返回获取到的数据0或1
 */
unsigned long alu_bit(unsigned long in_1, long bits)
{
    unsigned long a = 1;
    return ((a<<bits)&in_1)>>bits;
}

进位选择加法器

串位进位加法器由于是串行的,这就导致每一步的运算必须等待前面一位计算完成。几乎所有的算术运算都要用到ALU, ALU的核心还是加法器,因此要提高运算速度, 加法器的速度非常关键。
在进行进位选择加法器讲解之前,先介绍一种选择器,2-1选择器

2-1选择器

2-1选择器是根据一位控制位控制2个输入输出哪一个的电路选择器,电路图如下:
在这里插入图片描述

我们可以用C语言实现一下

long select_2_1(long in_1,long in_2,long door)
{
    long a1 =  and_gate(in_1, door);
    long a2 =  and_gate(in_2, not_gate(door));
    return or_gate(a1, a2);
}

并且该C函数可以不止实现单个位的选择,对于64位以内的可以通过该方法返回选择后的值。

进位选择加法器

进位选择加法器是这样一种算法,比如对于64位的加法,分成四部分

  • A:0~15位
  • B:16~31位
  • C:32~47位
  • D:48~63位

BCD部分都有两种计算逻辑,一种假设进位为0,一种假设进位为1
所以,A,B0,B1,C0,C1,D0,D1可以并行运算。运算完成后进行拼接,拼接逻辑如下:

  • 根据A的进位选择B0或者B1
  • 根据上一步选择的B0或者B1是否发生进位选择C0或者C1
  • 根据上一步选择的C0或者C1是否发生进位选择D0或者D1

下面看一下C语言的实现

long alu_add_16(long in_1, long in_2)
{
    long ac = 0;
    long bc0 = 0;
    long bc1 = 1;
    long cc0 = 0;
    long cc1 = 1;
    long dc0 = 0;
    long dc1 = 1;
    
    // 下面这些并行运算
    long a = alu_add(in_1, in_2, 16,&ac);
    long b0 = alu_add(in_1>>16, in_2>>16, 16,&bc0);
    long b1 = alu_add(in_1>>16, in_2>>16, 16,&bc1);
    long c0 = alu_add(in_1>>32, in_2>>32, 16,&cc0);
    long c1 = alu_add(in_1>>32, in_2>>32, 16,&cc1);
    long d0 = alu_add(in_1>>48, in_2>>48, 16,&dc0);
    long d1 = alu_add(in_1>>48, in_2>>48, 16,&dc1);
    
    long b = select_2_1(b1, b0, ac);
    long c = select_2_1(c1, c0, b==b1?bc1:bc0);
    long d = select_2_1(d1, d0, c==c1?cc1:cc0);
    return a | b<<16 | c<<32 | d<<48;
}

如何进行减法运算

使用逻辑门进行减法运算,涉及借位,运算比较麻烦,但是我们可以通过操作将减法运算变成加法运算,比如对下面的减法运算:
A = X ? Y A = X - Y A=X?Y
我们可以写成加法的形式:
A = X + ( ? Y ) A = X + (-Y) A=X+(?Y)

而对于补码编码的数据来说,-Y等于Y取反然后加1,取反操作之需要对Y执行反相器即可,而加1的操作正好可以通过设置加法的初始进位为1来进行处理,下面给出减法运算的C语言电路描述

long alu_not(long in_1, long bits)
{
    long res = 0;
    for(int i = 0;i<bits;i++)
    {
        long x = alu_bit(in_1, i); // 获取输入1的第i位
        res |= (not_gate(x)<<i);
    }
    return res;
}

long alu_sub(long in_1, long in_2, long bits)
{
    long a = alu_not(in_2,64);
	int c = 1;
    return alu_add(in_1, a, bits,&c);
}

这样,我们就使用C语言按照电路图的设计实现了加减的逻辑处理。

文章来源:https://blog.csdn.net/b1049112625/article/details/135206062
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