Barrel shifter (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):

• Входная ёмкость пропорциональна разрядности N.
• Количество транзисторов пропорционально квадрату разрядности N²
• Требуется декодер для формирования управляющих сигналов.

В процессорах x86 применяются, начиная с Intel 80386.

Ресурсоёмкость

Количество мультиплексоров, необходимое для реализации n-битового устройства сдвига, по схеме barrel составляет $\scriptstyle n\log _{2}n$ . Для пяти часто используемых размеров количество мультиплексоров составляет:

• 128-бит — $\scriptstyle 128\times \log _{2}(128)=128\times 7=896$
• 64-бит — $\scriptstyle 64\times \log _{2}(64)=64\times 6=384$
• 32-бит — $\scriptstyle 32\times \log _{2}(32)=32\times 5=160$
• 16-бит — $\scriptstyle 16\times \log _{2}(16)=16\times 4=64$
• 8-бит — $\scriptstyle 8\times \log _{2}(8)=8\times 3=24$

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

• 32-bit: от 18 FO4 до 14 FO4

См. также

• Logarithmic Shifter

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.

Ссылки

• Design alternatives for barrel shifters, Matthew R. Pillmeier
• VLSI Implementation of a Barrel Shifter // Proceedings of SPIT-IEEE Colloquium and International Conference, Mumbai, India Vol2, 150
• Barrel Shifters // Bill Cowan, CS251 – Spring 2008
• An Interconnect-Centric Approach to Cyclic Shifter Design
• Shifters and Adders // Somayyeh Koohi