半加器、全加器及其应用

Dear 丶 2022-01-27 04:23 242阅读 0赞

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半加器、全加器是组合电路中的基本元器件，也是CPU中处理加法运算的核心，理解、掌握并熟练应用是硬件课程的最基本要求。  
本文简单介绍半加器、全加器，重点对如何构造高效率的加法器进行分析。

### 半加器和全加器 ###

所谓半加器，是指对两位二进制数实施加法操作的元器件。其真值表、电路图和逻辑符号分别如下图所示：

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半加器真值表

根据真值表，其输入输出之间的对应关系为：

> S = A!B + !AB (!号表示逻辑非)  
> C = AB

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与非门组成的半加器逻辑符号

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半加器逻辑符号

从半加器的真值表、电路图可以看出，半加器只能对单个二进制数进行加法操作，只有两个输入，无法接受低位的进位，因此称为半加器。

对此，全加器则解决了这个问题，全加器有三个输入（包括来自低位的进位），两个输出，其对应的真值表、电路图和逻辑符号如下所示：

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全加器真值表

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全加器电路图：摘自电子开发社区

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全加器逻辑图

### 加法器的构造 ###

有了全加器，构造加法器就非常容易了，假设有A3A2A1A0和B3B2B1B0，利用全加器构造A3A2A1A0\+B3B2B1B0的串行进位加法器电路图如下图所示：

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串行进位加法器

图中的C\-1=0，因为已是最低位，没有进位。这种串联方法只是完成了基本功能，从效率上则完全不可行。

> 分析：假设全加器中每个元器件的时延为t，则全加器的时延为2t（见全加器电路图），对于4位加法器，按照这种串联方法，加法器构造方法1中图中最右边（最低位）全加器计算完成后，才能计算右二个全加器，以此类推。因此，4位加法器至少需要4\*2t=8t的时延；如果是32位，则是64t的时延。显然，这种加法器的效率与参与计算的二进数长度成正比，数越长，时延越长。在现代计算机中，是不可能采用如此低效的加法器的。

那如何做呢？其实方法挺简单的，只需要把Ci和参与运算的两个4位二进制数之间的关系梳理清楚就行了。直接用代入法展开得：

> 设Gi= AiBi, Pi = !AiBi \+ Ai!Bi  
> C0 = Cin  
> C1=G0 \+ P0·C0  
> C2=G1 \+ P1·C1 = G1 \+ P1·G0 \+ P1·P0 ·C0  
> C3=G2 \+ P2·C2 = G2 \+ P2·G1 \+ P2·P1·G0 \+ ·P1·P0·C0  
> C4=G3 \+ P3·C3 = G3 \+ P3·G2 \+ P3·P2·G1 \+ P3·P2·P1·G0 \+ P3·P2·P1·P0·C0  
> Cout=C4

在这个关系式里，直接列出了4位二进制加法的最终进位，不用等待低位计算完了，再计算高位，而是直接进行计算，最终得到的超前进位加法器电路图如下所示：

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超前进位加法器

假设超前进位加法器中的每个门时延是t，对于4位加法，最多经过4t的时延，而且，即使增加更多的位数，其时延也是4t。

对比串行进位加法器和超前进位加法器，前者线路简单，时延与参与计算的二进制串长度成正比，而后者则是线路复杂，时延是固定值。通常，对于32的二进制串，可以对其进行分组，每8位一组，组内加法用超前进位加法器，组间进位则用串行进位。采用这种折中方法，既保证了效率，又降低了内部线路复杂度。

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