基于可逆邏輯的8421bcd碼同步十進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信息技術(shù)領(lǐng)域的低功耗時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)，特別涉及一種基于可逆邏 輯的8421B⑶碼同步十進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在數(shù)字系統(tǒng)中，計(jì)數(shù)器不僅可以對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，還具有分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié) 拍脈沖和脈沖序列以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等多種功能。尤其是其中的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器應(yīng)用最為廣 泛，且最常被使用的有加法計(jì)數(shù)、減法計(jì)數(shù)兩種基本功能，因此對(duì)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器加/減法電 路進(jìn)行設(shè)計(jì)并將加法計(jì)數(shù)、減法計(jì)數(shù)集成于同一電路以實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)數(shù)就顯得很有必要。
[0003]Landaure已經(jīng)證實(shí)，傳統(tǒng)不可逆邏輯電路中信息位的擦除將導(dǎo)致能量損耗，每一 位信息的擦除對(duì)應(yīng)KT?ln2焦耳的熱量產(chǎn)生，其中K為波威茲曼常量，T為執(zhí)行運(yùn)算時(shí)的絕 對(duì)溫度。由于能耗產(chǎn)生的熱量會(huì)對(duì)芯片的集成度、工作性能及運(yùn)行效率造成極大影響，因 此，解決這一問(wèn)題的有效途徑之一就是實(shí)現(xiàn)邏輯電路的可逆設(shè)計(jì)，即借助可逆邏輯門的級(jí) 聯(lián)構(gòu)造邏輯電路。可逆邏輯門具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，輸入向量與輸出向量間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān) 系，不存在信息位的擦除，也就不會(huì)導(dǎo)致電能到熱能的轉(zhuǎn)換，因此將可逆邏輯門級(jí)聯(lián)成可逆 邏輯電路能夠從根本上解決傳統(tǒng)不可逆邏輯電路中存在的能量損耗問(wèn)題，這也導(dǎo)致對(duì)可逆 邏輯的研宄受到越來(lái)越多的重視。
[0004] 目前較為常用的可逆邏輯門主要有NOT門、Feynman門、Toffoli門、Fredkin門、 Peres門，其功能分別如圖1 一圖5所示。NOT門沒(méi)有控制位，直接對(duì)輸入A進(jìn)行取反操作； Feynman門中A為控制位，B為受控位，能夠?qū)崿F(xiàn)操作，尤其是B= 0時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)A 的復(fù)制并避免扇出，B= 1時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)A的復(fù)制及取反；Toffoli門中A、B為控制位，C 為受控位，主要用于實(shí)現(xiàn)十C操作，特別地，當(dāng)C= 0時(shí)實(shí)現(xiàn)AB與操作，當(dāng)C= 1時(shí)實(shí)現(xiàn) /IH與非操作；Fredkin門中A為控制位，當(dāng)A= 1時(shí)，實(shí)現(xiàn)B、C的交換，因此Toffoli門也 被稱為控制交換門；Peres門中A、B為控制位，C為受控位，主要用于實(shí)現(xiàn)及十C操作，即兼具Feynman門及Toffoli門兩者的功能。
[0005] 為了更準(zhǔn)確地衡量可逆邏輯電路的性能，引入可逆邏輯門數(shù)、垃圾位數(shù)及量子代 價(jià)3個(gè)指標(biāo)?？赡孢壿嬮T數(shù)即可逆邏輯電路中所使用的可逆邏輯門的總數(shù)量，垃圾位數(shù)即 可逆邏輯電路中無(wú)用的輸出位，量子代價(jià)反映的是可逆邏輯門的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)成本，表1為 上述各個(gè)可逆邏輯門所對(duì)應(yīng)的量子代價(jià)，可逆邏輯電路的量子代價(jià)即所使用的所有可逆邏 輯門的量子代價(jià)總和。
[0006]表1
[0007]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種基于可逆邏輯的8421B⑶碼同步十進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù) 器，具有加法計(jì)數(shù)和減法計(jì)數(shù)兩種功能，并可同時(shí)使用兩種操作完成可逆計(jì)數(shù)；可逆邏輯中 存在較少的信息位擦除，因此能量損耗較低；在最大程度上減少邏輯門數(shù)及垃圾位數(shù)、降低 電路量子代價(jià)，能夠在進(jìn)一步顯著降低系統(tǒng)功耗及電路實(shí)現(xiàn)代價(jià)的基礎(chǔ)上完成加法計(jì)數(shù)/ 減法計(jì)數(shù)；所使用的主從JK觸發(fā)器不存在空翻現(xiàn)象，抗干擾性能好，工作速度快；邏輯電路 完全使用可逆邏輯門構(gòu)造而成，具有電路簡(jiǎn)潔、布局規(guī)整、易于構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)，電路具有自啟 動(dòng)功能。
[0009] 本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0010] 基于可逆邏輯的8421B⑶碼同步十進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)器，由4個(gè)基于可逆邏 輯構(gòu)造的可逆主從JK觸發(fā)器及5個(gè)過(guò)渡模塊級(jí)聯(lián)而構(gòu)成，其中所述可逆主從JK觸發(fā) 器由10個(gè)Peres門和1個(gè)NOT門級(jí)聯(lián)而成，該4個(gè)可逆主從JK觸發(fā)器RL_msJK_0,RL_ msJK_l，RL_msJK_2 和RL_msJK_3 的輸入端分別表示為JQ、K。、JpI、J2、K2、J3、K3,輸入向 量分別為（J。，K。，CP)、（J1,K1,CP)、（J2,K2,CP)、（J3,K3,CP);輸出向量分別為 、 (g.ScP)、(?,豕，CP)、(0.反，C/>);所述 5 個(gè)過(guò)渡模塊分別為Jl、Kl、J2、K2、J3， 過(guò)渡模塊Jl由4個(gè)Peres門和4個(gè)Feynman門構(gòu)成，過(guò)渡模塊Kl由I個(gè)Toffoli門、2個(gè)Peres門、7個(gè)Feynman門和2個(gè)NOT門構(gòu)成，過(guò)渡模塊J2由3個(gè)Peres門和3個(gè)Feynman 門構(gòu)成，過(guò)渡模塊K2由2個(gè)Peres門和2個(gè)Feynman門構(gòu)成，過(guò)渡模塊J3由3個(gè)Peres門 和3個(gè)Feynman門構(gòu)成，過(guò)渡模塊K3由過(guò)渡模塊Kl中的1個(gè)Feynman門引出；
[0011] 可逆主從JK觸發(fā)器RL_msJK_0的輸入端中的Jc^Ktl均置為1，輸出端&與過(guò)渡模 塊Kl的輸入端級(jí)聯(lián)，同時(shí)輸出信號(hào)
[0012] 可逆主從JK觸發(fā)器RL_msJK_l的輸入端中J1與過(guò)渡模塊Jl的輸出端級(jí)聯(lián)，K:與 過(guò)渡模塊Kl的輸出端級(jí)聯(lián)；輸出端中與過(guò)渡模塊J2的輸入端級(jí)聯(lián)，以與過(guò)渡模塊K2 的輸入端級(jí)聯(lián)；
[0013] 可逆主從JK觸發(fā)器RL_msJK_2的輸入端中J2與過(guò)渡模塊J2的輸出端級(jí)聯(lián)，K2與 過(guò)渡模塊K2的輸出端級(jí)聯(lián)；輸出端0、以與過(guò)渡模塊J3的輸入端級(jí)聯(lián)；
[0014] 可逆主從JK觸發(fā)器RL_msJK_3的輸入端中J3與過(guò)渡模塊J3的輸出端級(jí)聯(lián)，K3具 有與K1完全相同的邏輯表示，因此直接借助過(guò)渡模塊Kl中的1個(gè)Feynman門引出K1即可 得到；輸出端中0與過(guò)渡模塊Jl的輸入端級(jí)聯(lián)，03B與過(guò)渡模塊J2的輸入端級(jí)聯(lián)；
[0015] 同時(shí)，由于可逆主從JK觸發(fā)器的CP輸入端、CP輸出端均為同一時(shí)鐘信號(hào)，因此為 了降低量子門的數(shù)量及可逆邏輯電路的量子代價(jià)，將原始CP輸入信號(hào)引入RL_msJK_0中的 CP輸入端，RL_msJK_0中的CP輸出端與RL_msJK_l中的CP輸入端相連接，RL_msJK_l中的 CP輸出端與RL_msJK_2中的CP輸入端相連接，RL_msJK_2中的CP輸出端與RL_msJK_3中 的CP輸入端相連接；
[0016] 該基于可逆邏輯的8421B⑶碼同步十進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)器的最終輸出信號(hào) G、CS、C)r、K分別從過(guò)渡模塊J2、J3、J2、可逆主從JK觸發(fā)器RL_msJK_0輸出。
[0017] 所述基于可逆邏輯的8421B⑶碼同步十進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)器采用4個(gè)基于可逆邏 輯構(gòu)造的可逆主從JK觸發(fā)器（RL_msJK_0,RL_msJK_l，RL_msJK_2,RL_msJK_3)的狀態(tài)來(lái)表 示一位十進(jìn)制數(shù)的四位二進(jìn)制編碼，即采用8421BCD碼的編碼方式來(lái)表示一位十進(jìn)制數(shù)； 計(jì)數(shù)器實(shí)際上是對(duì)時(shí)鐘脈沖CP進(jìn)行計(jì)數(shù)，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)器狀態(tài)改變一次；計(jì)數(shù) 器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下，觸發(fā)器輸出編碼加/減1，編碼順序與8421BCD碼同序/逆 序，每十個(gè)時(shí)鐘脈沖完成一個(gè)計(jì)數(shù)周期。
十進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)器采用具有自啟動(dòng)能力，即電路處于無(wú)效狀態(tài)時(shí)，可以在CP脈沖的作用下回到有 效狀態(tài)。
[0019] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有加法計(jì)數(shù)和減法計(jì)數(shù)兩種功能，并可 同時(shí)使用兩種操作完成可逆計(jì)數(shù)；采用可逆邏輯實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)，由于可逆邏輯電路中僅存 在極少的信息位擦除，因此能量損耗較低；在最大程度上減少邏輯門數(shù)及垃圾位數(shù)、降低電 路量子代價(jià)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗及電路實(shí)現(xiàn)代價(jià)；所使用的主從JK觸發(fā)器不存在空翻現(xiàn) 象，抗干擾性能好，工作速度快；邏輯電路完全使用可逆邏輯門構(gòu)造而成，具有電路簡(jiǎn)潔、布 局規(guī)整、易于構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)；電路具有自啟動(dòng)功能。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為NOT門的功能簡(jiǎn)圖；
[0021] 圖2為Feynman門的功能簡(jiǎn)圖；
[0022] 圖3為Toffoli門的功能簡(jiǎn)圖；
[0023] 圖4為Fredkin門的功能簡(jiǎn)圖；
[0024] 圖5為Peres門的功能簡(jiǎn)圖；
[0025] 圖6為主從JK觸發(fā)器的邏輯電路圖；
[0026] 圖7為基于可逆邏輯的主從JK觸發(fā)器的可逆邏輯電路圖；
[0027] 圖8為基于可逆邏輯的主從JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)圖；
[0028] 圖9為過(guò)渡模塊Jl的可逆邏輯電路圖；
[0029] 圖10為過(guò)渡模塊Jl的邏輯符號(hào)圖；
[0030] 圖11為過(guò)渡模塊Kl的可逆邏輯電路圖；
[0031] 圖12為過(guò)渡模塊Kl的邏輯符號(hào)圖；
[0032] 圖13為過(guò)渡模塊J2的可逆邏輯電路圖；
[0033] 圖14為過(guò)渡模塊J2的邏輯符號(hào)圖；
[0034] 圖15為過(guò)渡模塊K2的可逆邏輯電路圖；
[0035] 圖16為過(guò)渡模塊K2的邏輯符號(hào)圖；
[0036] 圖17為過(guò)渡模塊J3的可逆邏輯電路圖；
[0037] 圖18為過(guò)渡模塊J3的邏輯符號(hào)圖；
[0038] 圖19為基于可逆邏輯的8421B⑶碼同步十進(jìn)制加/減法計(jì)數(shù)器的可逆邏輯電路 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 為了加深對(duì)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、實(shí)施方案、達(dá)成目的及功效的理解，下面將結(jié) 合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。
[0040] 1、可逆邏輯門的功能
[0041] 目前較為常用的可逆邏輯門主要有NOT門、Feynman門、Toffoli門、Fredkin門、 Peres門，其功能分別如圖1 一圖5所示。
[0042] 如圖1，N0T門沒(méi)有控制位，功能是直接對(duì)輸入A進(jìn)行取反操作，得到I;
[0043] 如圖2，F(xiàn)eynman門中A為控制位，B為受控位，能夠?qū)崿F(xiàn)』?5操作，尤其是B= 0 時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)A的復(fù)制并避免扇出、B= 1時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)A的復(fù)制及取反；
[0044] 如圖3，Toffoli門中A、B為控制位，C為受控位，主要用于實(shí)現(xiàn)乂8?C操作，特別 地，當(dāng)C= 0時(shí)實(shí)現(xiàn)AB與操作、當(dāng)C= 1時(shí)實(shí)現(xiàn)/丨以與非操作（也即d+K操作）；
[0045] 如圖4,Fredkin門中A為控制位，當(dāng)A= 1時(shí)，實(shí)現(xiàn)B、C的交換，因此Toffoli門 也被稱為控制交換門；
[0046] 如圖5,Peres門中A、B為控制位，C為受控位，主要用于實(shí)現(xiàn)J十5及AS十C操 作，即兼具Feynman門及Toffoli門兩者的功能，又因該門量子代價(jià)較Toffoli門更小，因 此最常被使用。
[0047] 2、可逆主從JK觸發(fā)器
[0048] 主從JK觸發(fā)器的特性方程為g1 = + (CP下降沿到來(lái)時(shí)有效，不存在輸 入間的約束問(wèn)題），其邏輯電路如圖6所示，借助該圖可以發(fā)現(xiàn)，主從JK觸發(fā)器采用主從控 制結(jié)構(gòu)，