桶式移位器

前言

本篇文章介绍CPU的核心部件之一：桶式移位器，简称BS，英文全称为Barrel Shifter
桶式移位器最大的特点就是能在单周期内完成多种方式，各种位数的移位操作

常见的移位操作

常见的移位操作种类如下：

• 算术右移
  是指数据向右移位，左侧用符号位补齐
• 逻辑右移
  是指数据向右移位，左侧用0补齐
• 算术左移和逻辑左移
  是指数据向左移动，右侧用0补齐
• 循环右移
  是指数据向右移动，左侧用用测移出的位补齐
  比如1011 0101，循环右移两位就会变成 0110 1101
  注意：循环左移可以通过循环右移来实现，对于n位数据，循环左移m位就相当于循环右移n-m位

桶形移位器的实现方式

下面这张图是我从网上找的，链接地址在这里

这张图可以非常形象的说明桶形移位器的电路逻辑，先对里面的各种值进行一下说明：

• $SCi$:表示移位的位数，对于支持n位移位的移位器来说，有n个$SCi$，如果想要移动m位，只需要$SCm$设置为1，别的$SCi$为0即可。
• $ai$:输入的待移位的数的二进制位，对于64位的移位器，需要64个输入
• $a^{\prime }i$:输出的移位的数的二进制位，对于64位的移位器，需要64个输出
• $Sin1$:输入的移位标志，右移为1，左移为0
• $in1$:一个逻辑与门，输入端为$ai$和$Sin1$，表示的意思是右移时输出为$ai$，左移时输出为0
• $D0/1$:右移时左侧填补的位，如果是算术右移就连接的是$ai$的最高位，逻辑右移就是0
• $Sin2$:左移或者循环右移的时候为1，否则为0
• $\overline{Sin2}$:$Sin2$的非
• $in2$:由两个与门一个或门组成的逻辑电路，如下图所示：
  

用公式表示输出$$KaTeX parse error: Can't use function '$' in math mode at position 5: in2i$?为： in2i = Sin2 \cdot ai+\overline {Sin2}\cdot D0/1$$

$in2$的作用可以描述如下：

• 右移时为0或者符号位，去填补左侧移出的空位
• 左移时为输入值，用于实现左移，在到达$in2$之前没有左移的逻辑

案例分析: 循环右移两位

我们按照上图的标记进行分析，以$a7$位为例，因为是循环右移，所以我们先把对应的值确定一下：

• 循环右移，$Sin1$=1，所以$in1$在$a7$的输出为1
• 循环右移，$Sin2$=1，$\overline{Sin2}$=0，$D0/1$不重要了，因为$\overline{Sin2}$=0，所以$\overline{Sin2}?D0/1$=0，也就是$in2$的值完全取决于$ai$
• 右移两位，所以$SC2$==1,其余都为0

接下来看流程，为了方便，我们再次拷贝一下上面的图：

• $in1$在$a7$的输出$in1$的值
• 跟着电路走，直到到$SC2$接触点的时候，因为$SC2$=1，所以开关接通
• $a7$的值从 $a^{\prime }5$输出
• 同理
  $a7$的值从 $a^{\prime }5$输出
  $a6$的值从 $a^{\prime }4$输出
  $a5$的值从 $a^{\prime }3$输出
  $a4$的值从 $a^{\prime }2$输出
  $a3$的值从 $a^{\prime }1$输出
  $a2$的值从 $a^{\prime }0$输出
• 然后看$a1$，虽然在$in1$也输出了$a1$的值，但是没有到$SC2$就已经跑出电路了，另一条输出到了上面的$a1$，进入$in2$电路，此时根据上面的数值我们知道$in2$电路输出$a1$的值，然后该值沿着电路往左下方走，直到到$SC2$，因为$SC2$=1，所以开关接通，$a1$的值从 $a^{\prime }7$输出
• 同理，我们可以分析$a0$的值从 $a^{\prime }6$输出
• 这样，循环右移便完成了。

C语言描述

下面给出桶式移位器的C语言描述，git地址

extern long bs(long in_1,long type,long num);
extern void bs_test(void);
#include "alu.h"
long bs(long in_1,long type,long num)
{
    long sin1=0;// 右移才会为1
    long sin2=0;// 左移/循环右移才会为1
    long sin3=0;// 右移才会为1
    long d0=0;  // 右移才有意义，逻辑右移为0，算术右移为最高位
    num%=(sizeof(long)*8);
    switch (type) {
        case 0:// 逻辑左移
            sin1=0;
            sin2=1;
            sin3=0;
            d0=0;
            num =(sizeof(long)*8-num);
            break;
        case 1:// 逻辑右移
            sin1=1;
            sin2=0;
            sin3=1;
            d0=0;
            break;
        case 2:// 算术右移
            sin1=1;
            sin2=0;
            sin3=1;
            d0=in_1>>(sizeof(long)*8-1);
            break;
        case 3:// 循环右移
            sin1=1;
            sin2=1;
            sin3=1;
            d0=0;
            break;
        default:
            break;
    }
    // 每个位都会输出，为了左移或者循环右移
    long a = in_1;
    // 默认输出为0，只有发生移动才会有值
    long in1 = 0;
    // 计算in1的输出，如果不是右移，原样输出
    // 使用-1来表示位都是1的情况
    if(sin1!=0)
    {
        unsigned long temp = in_1;
        in1 = (temp>>num);
    }
    // 下面的三步走的in2的电路
    long in2_1 = alu_and(a, sin2==0?0:-1, sizeof(long)*8);
    long in2_2 = alu_and(sin3, d0, sizeof(long)*8);
    long in2 = alu_or(in2_1, in2_2==0?0:-1, sizeof(long)*8);
    in2 <<=(sizeof(long)*8-num);
    
    return in2|in1;
}

下面是一个测试例子：

void bs_test(void)
{
    printf("bs test start:\n");
    for(int i = 0;i<sizeof(long)*8;i++)
    {
        long r1 = bs(1, 0, i);
        printf("\t1 move left %d:%ld\n",i,r1);
    }
    for(int i = 0;i<sizeof(long)*8+1;i++)
    {
        long r1 = bs(-1, 1, i);
        printf("\t1 move right logic %d:%ld\n",i,r1);
    }
    for(int i = 0;i<sizeof(long)*8+1;i++)
    {
        long r1 = bs(-1, 2, i);
        printf("\t1 move right arithmetic %d:%ld\n",i,r1);
    }
    long a = 0xAAAAAAAAAAAAAAAA;
    for(int i = 0;i<sizeof(long)*8+1;i++)
    {
        long r1 = bs(a, 3, i);
        printf("\t1 move right loop %d:%ld\n",i,r1);
    }
    printf("bs test end\n");
}