Barrel shifter

Принцип действия устройства быстрого сдвига

Принцип построения схемы быстрого сдвига

Barrel shifter (устройство быстрого сдвига) — цифровая электронная схема, производящая сдвиг данных на указанное число позиций за один такт синхронизации. Устройство быстрого сдвига также может производить циклический сдвиг и расширение знакового бита.

На вход устройства подаётся две группы входных данных по N бит каждая и N управляющих сигналов, на выходе получается N бит данных. Количество разрядов, на которые производится сдвиг, определяется позицией управляющего сигнала высокого уровня (все остальные управляющие сигналы должны иметь низкий уровень), выполняемая операция определяется подачей входных данных. Например:

• при подаче данных на «вход 1» и нулей на «вход 0» будет произведён правый сдвиг;
• при подаче данных на оба входа будет произведён циклический сдвиг.

Устройство быстрого сдвига применяется в целочисленных арифметических операциях (где сдвиг на один разряд эквивалентен умножению или делению на два) и в операциях над числами с плавающей запятой для выравнивания операндов при выполнении сложения и вычитания. Мантисса числа, имеющего меньший порядок, сдвигается вправо, количество позиций, на которые производится сдвиг равно разнице порядков чисел. После сдвига порядки чисел становятся равными.

Недостатки (для barrel shift, реализующего циклический сдвиг):^[1]

• Входная емкость пропорциональна разрядности N.
• Количество транзисторов пропорционально квадрату разрядности N²
• Требуется декодер для формирования управляющего сигнала.

Ресурсоемкость

Количество мультиплексоров, необходимое для реализации n-битового устройства сдвига по схеме barrel составляет $\scriptstyle n\log_2n$ ^[2]. Для пяти часто используемых размеров количество мультиплексоров составляет:

• 128-бит — $\scriptstyle 128\times\log_2(128) = 128\times7 = 896$
• 64-бит — $\scriptstyle 64\times\log_2(64) = 64\times6 = 384$
• 32-бит — $\scriptstyle 32\times\log_2(32) = 32\times5 = 160$
• 16-бит — $\scriptstyle 16\times\log_2(16) = 16\times4 = 64$ ^[2]
• 8-бит — $\scriptstyle 8\times\log_2(8) = 8\times3 = 24$^[2]

Стоимость критического пути в единицах Fan-out-of-4 (FO4) оценивается (без учета задержки в проводниках) как:

• 32-bit: от 18 FO4 до 14 FO4^[3]

Примечания

1. ↑ cseweb.ucsd.edu/classes/wi09/cse242a/slides/shifter.ppt slide 6
2. ↑ ^{1 2 3} conference.spit.ac.in/ieee_colloquium/VLSI_and_Embedded_Systems/spit-176.pdf
3. ↑ David T. Wang, Revisiting the FO4 Metric. Estimating the FO4 depth of the critical path // RealWorldTech, August 15, 2002

Литература

• Wayne Wolf 6.2 Combinational Shifters // Modern VLSI Design: IP-Based Design. — 4th ed.. — Prentice Hall, 2009. — 627 p. — (Prentice Hall Modern Semiconductor Design Series). — ISBN 0137145004