[实用新型]基于可逆逻辑的8421BCD码同步十进制加/减法计数器

说明书

技术领域

本实用新型涉及信息技术领域的低功耗时序逻辑电路设计，特别涉及一种基于可逆逻辑的8421BCD码同步十进制加/减法计数器。

背景技术

在数字系统中，计数器不仅可以对脉冲个数进行计数，还具有分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等多种功能。尤其是其中的十进制计数器应用最为广泛，且最常被使用的有加法计数、减法计数两种基本功能，因此对十进制计数器加/减法电路进行设计并将加法计数、减法计数集成于同一电路以实现可逆计数就显得很有必要。

Landaure已经证实，传统不可逆逻辑电路中信息位的擦除将导致能量损耗，每一位信息的擦除对应KT·ln2焦耳的热量产生，其中K为波威兹曼常量，T为执行运算时的绝对温度。由于能耗产生的热量会对芯片的集成度、工作性能及运行效率造成极大影响，因此，解决这一问题的有效途径之一就是实现逻辑电路的可逆设计，即借助可逆逻辑门的级联构造逻辑电路。可逆逻辑门具有独特的结构，输入向量与输出向量间存在一一对应的关系，不存在信息位的擦除，也就不会导致电能到热能的转换，因此将可逆逻辑门级联成可逆逻辑电路能够从根本上解决传统不可逆逻辑电路中存在的能量损耗问题，这也导致对可逆逻辑的研究受到越来越多的重视。

目前较为常用的可逆逻辑门主要有NOT门、Feynman门、Toffoli门、Fredkin门、Peres门，其功能分别如图1—图5所示。NOT门没有控制位，直接对输入A进行取反操作；Feynman门中A为控制位，B为受控位，能够实现操作，尤其是B＝0时能够实现对A的复制并避免扇出，B＝1时同时实现对A的复制及取反；Toffoli门中A、B为控制位，C为受控位，主要用于实现操作，特别地，当C＝0时实现AB与操作，当C＝1时实现与非操作；Fredkin门中A为控制位，当A＝1时，实现B、C的交换，因此Toffoli门也被称为控制交换门；Peres门中A、B为控制位，C为受控位，主要用于实现及操作，即兼具Feynman门及Toffoli门两者的功能。

为了更准确地衡量可逆逻辑电路的性能，引入可逆逻辑门数、垃圾位数及量子代价3个指标。可逆逻辑门数即可逆逻辑电路中所使用的可逆逻辑门的总数量，垃圾位数即可逆逻辑电路中无用的输出位，量子代价反映的是可逆逻辑门的设计和实现成本，表1为上述各个可逆逻辑门所对应的量子代价，可逆逻辑电路的量子代价即所使用的所有可逆逻辑门的量子代价总和。

表1

量子门NOT门Feynman门Toffoli门Fredkin门Peres门量子代价11554

实用新型内容