加法器是什么?加法器的原理,类型,设计详解
加法器的简介
加法器是为了实现加法的。即是产生数的和的装置。加数和被加数为输入,和数与进位为输出的装置为半加器。若加数、被加数与低位的进位数为输入,而和数与进位为输出则为全加器。常用作计算机算术逻辑部件,执行逻辑操作、移位与指令调用。对于1位的二进制加法,相关的有五个的量:
1,被加数A,
2,被加数B,
3,前一位的进位CIN,
4,此位二数相加的和S,
5,此位二数相加产生的进位COUT。前三个量为输入量,后两个量为输出量,五个量均为1位。对于32位的二进制加法,相关的也有五个量:
加法器的原理
1,被加数A(32位),
2,被加数B(32位),
3,前一位的进位CIN(1位),
4,此位二数相加的和S(32位),
5,此位二数相加产生的进位COUT(1位)。
要实现32位的二进制加法,一种自然的想法就是将1位的二进制加法重复32次(即逐位进位加法器)。这样做无疑是可行且易行的,但由于每一位的CIN都是由前一位的COUT提供的,所以第2位必须在第1位计算出结果后,才能开始计算;第3位必须在第2位计算出结果后,才能开始计算,等等。而最后的第32位必须在前31位全部计算出结果后,才能开始计算。这样的方法,使得实现32位的二进制加法所需的时间是实现1位的二进制加法的时间的32倍。
可以看出,上法是将32位的加法1位1位串行进行的,要缩短进行的时间,就应设法使上叙进行过程并行化。逐位进位加法器,在每一位的计算时,都在等待前一位的进位。那么不妨预先考虑进位输入的所有可能,对于二进制加法来说,就是0与1两种可能,并提前计算出若干位针对这两种可能性的结果。等到前一位的进位来到时,可以通过一个双路开关选出输出结果。这就是进位选择加法器的思想。提前计算多少位的数据为宜?同为32位的情况:线形进位选择加法器,方法是分N级,每级计算32/N位;平方根进位选择加法器,考虑到使两个路径
1,提前计算出若干位针对这两种可能性的结果的路径,
2,上一位的进位通过前面的结构的路径的延时达到相等或是近似。
方法,或是2345666即第一级相加2位,第二级3位,第三级4位,第四级5位,第五级6位,第六级6位,第七级6位;或是345677即第一级相加3位,第二级4位,第三级5位,第四级6位,第五级7位,第六级7位。进一步分析加法进行的机制,可以使加法器的结构进一步并行化。令G=AB,P=A⊕B,则COUT(G,P)=G+PCIN,S(G,P)=P⊕CIN。由此,A,B,CIN,S,COUT五者的关系,变为了G,P,CIN,S,COUT五者的关系。再定义点运算(*),(G,P)*(G’,P’)=(G+PG’,PP’),可以分解(G3:2,P3:2)=(G3,P3)(G2,P2)。
点运算服从结合律,但不符合交换律。点运算只与G,P有关而与CIN无关,也就是可以通过只对前面若干位G,P进行点运算计算,就能得到第N位的GN:M,PN:M值,当取M为0时,获得的GN:0,PN:0即可与初使的CIN一起代入COUT(G,P)=G+PCIN,S(G,P)=P⊕CIN,得到此位的COUT,S;而每一位的G,P值又只与该位的A,B值即输入值有关,所以在开始进行运算后,就能并行的得到每一位的G,P值。以上分析产生了超前进位加法器的思想:三步运算,1,由输入的A,B算出每一位的G,P;2,由各位的G,P算出每一位的GN:0,PN:0;3,由每一位的GN:0,PN:0与CIN算出每一位的COUT,S。其中第1,3步显然是可以并行处理的,计算的主要复杂度集中在了第2步。第2步的并行化,也就是实现GN:0,PN:0的点运算分解的并行化。
加法器的优化设计
逻辑改造后,电路也应该相应地进行优化设计,因为如果用普通的门电路来实现式(12)~(15)的逻辑,晶体管数目(面积)会增加。另外,在电路级也可以采用减少节点翻转和寄生电容的方法来降低功耗。式(12)~(15)中多处要用到同或门,设计中,我们用基于旁路的静态逻辑实现产生gs的同或门,如图2。旁路逻辑通过由附加管形成的旁路,可以把"串并交错"的电路结构简化为单一的串或者并的形式。它的电路和版图都有很好的规整性,并且可以减小寄生电容。是两种同或门N块版图不同部分的比较,(b)是基于旁路逻辑实现的,与(a)相比,少了一条金属连线和两个金属接触,使版图变得十分规整,扩散区不会被隔断。
在拓扑上,两条分支用公共的漏区,达到最少的接触孔和金属互连,比"串并"和"并串"的晶体管配置方式规整,且寄生电容校加法器电路上的延迟值旁路逻辑不能实现传输门,因而不能用传输门实现同或和异或,但是容易
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