Барабанный сдвигатель — это цифровая схема , которая может сдвигать слово данных на указанное количество бит без использования какой-либо последовательной логики , только чистая комбинационная логика , т. е. по сути она обеспечивает двоичную операцию . Однако теоретически она может также использоваться для реализации унарных операций , таких как логический сдвиг влево , в случаях, когда ограничено фиксированной величиной (например, для блока генерации адреса ). Один из способов реализации барабанный сдвигатель — это последовательность мультиплексоров , где выход одного мультиплексора подключен к входу следующего мультиплексора способом, который зависит от расстояния сдвига. Барабанный сдвигатель часто используется для сдвига и поворота n-битов в современных микропроцессорах, [1] как правило, в течение одного тактового цикла .
Например, возьмем четырехбитный сдвигатель с входами A, B, C и D. Сдвигатель может циклически изменять порядок бит ABCD как DABC , CDAB или BCDA ; в этом случае биты не теряются. То есть, он может сдвигать все выходы на три позиции вправо (и таким образом создавать любую циклическую комбинацию A, B, C и D). Сдвигатель имеет множество применений, в том числе является полезным компонентом в микропроцессорах (наряду с АЛУ ).
Самые быстрые сдвигатели реализованы как полные кроссбары, аналогично 4-битному сдвигателю, изображенному выше, только больше. Они вызывают наименьшую задержку, при этом выход всегда имеет задержку в один затвор позади входа, который должен быть сдвинут (после небольшого времени, необходимого для установки декодера счетчика сдвига; однако этот штраф возникает только при изменении счетчика сдвига). Эти кроссбары требуют, однако, n 2 вентилей для n -битных сдвигов. Из-за этого баррель-сдвигер часто реализуется как каскад параллельных мультиплексоров 2×1, что позволяет значительно сократить количество вентилей, теперь растущих только с n x log n ; задержка распространения, однако, больше, растущая с log n (вместо того, чтобы быть постоянной, как в кроссбаре-сдвигере).
Для 8-битного баррельного сдвигателя используются два промежуточных сигнала, которые сдвигают на четыре и два бита или передают те же данные, основываясь на значении S[2] и S[1]. Затем этот сигнал сдвигается другим мультиплексором, который управляется S[0]:
int1 = IN , если S[2] == 0 = В << 4, если S[2] == 1 int2 = int1, если S[1] == 0 = int1 << 2, если S[1] == 1 OUT = int2, если S[0] == 0 = int2 << 1, если S[0] == 1
Более крупные барабанные переключатели имеют дополнительные ступени.
Каскадный переключатель имеет еще одно преимущество перед переключателем с полной крестообразной рейкой, поскольку не требует никакой логики декодирования для подсчета смещений.
Число мультиплексоров, необходимых для n -битного слова, равно . [2] Ниже перечислены пять распространенных размеров слов и число необходимых мультиплексоров:
Стоимость критического пути в FO4 (оценочная, без учета задержки проводов):
Распространенное использование сдвигателя-барреля — аппаратная реализация арифметики с плавающей точкой . Для операции сложения или вычитания с плавающей точкой мантиссы двух чисел должны быть выровнены, что требует сдвига меньшего числа вправо, увеличения его экспоненты до тех пор, пока она не совпадет с экспонентой большего числа. Это делается путем вычитания экспонент и использования сдвигателя-барреля для сдвига меньшего числа вправо на разницу за один цикл.
