专利名称：四位三值可逆全加器的制作方法
技术领域：
本发明设计使用三值可逆逻辑门构造出一位三值可逆全加器，并在此基础上将上述可逆全加器级联，构造出四位三值可逆全加器。
背景技术：
可逆计算是一种计算模型，其计算过程中不存在信息及能量的丢失。随着信息技术的发展，芯片的集成度越来越高，所产生的热量最终将达到芯片所能承受的极限；另一方面芯片功能也会受到量子效应的干扰，这些问题将成为严重制约硅芯片发展的瓶颈。芯片热量的产生一部分是来自于技术、工艺和材料的原因，另一部分则是由逻辑上的不可逆计算造成的。1961年，Landauer在其论文中指出，不可逆计算每一次运算都会引起比特位的丢失，而每丢失一比特信息就会有kTln2(大约3X 10 21J)热量散发(其中k是Boltzmann常量，T是热力学温度)。这种热量的散发对于母一个信息位看起来很小，但是随着芯片的集成度越来越高也不可以忽略不计。1973年， Bennett提出并证明了可逆计算在逻辑上是可行的。可逆计算在整个计算的过程中都是可逆的，即由计算中的任何一个中间状态可以反演算回它的前一个状态或者最初状态。可逆计算由于没有比特位的丢失，可以很好的解决由比特位丢失引起的热量散发的问题，从而大大降低计算机逻辑上的能耗，而不可逆计算无法做到这点。可逆逻辑综合是可逆计算的重要组成部分。可逆逻辑综合，就是用给定的可逆门和可逆网络的约束条件及限制等，通过某种算法，将可逆逻辑门级联，实现所需要的可逆逻辑网络。可逆逻辑综合使用的基本可逆逻辑门与经典的非可逆逻辑综合使用的逻辑门有着根本的不同。可逆逻辑综合研究包括可逆逻辑综合算法设计、最小实现代价问题、减少垃圾信息位以及扩大可逆网络规模设计问题等。可逆逻辑综合作为新兴的研究领域在低功耗电路设计、量子计算、纳米技术、DNA计算等现代技术领域有着重要的应用。目前关于可逆逻辑综合等研究大都是在布尔逻辑(二值逻辑)基础上的。传统的逻辑演算是二值的，即对于任何命题都只有两个可能的真值逻辑“真”或逻辑“假”。在二值可逆逻辑中，一般用“O”表示逻辑“假”，“I”表示逻辑“真”。但实际上，对诸如未来偶然命题使用这种逻辑是无法解决的，波兰逻辑学家和哲学家扬 武卡谢维奇在1920年开始建立了多值逻辑系统，使用了第三值〃可能〃来处理亚里士多德的海战悖论“明日有海战”。在该命题当时并不知道明日是否有海战，所以该命题既不是真的，也不是假的，而是真假未知的。所以一个命题可以是三值的。研究这类命题之间逻辑关系的理论，即为三值逻辑。三值逻辑是研究多值逻辑的基础。三值可逆逻辑存在三个不同的逻辑值，可以用“O”、“ I”和“2”表示。三值可逆逻辑以可逆计算和三值逻辑为基础，是研究多值可逆逻辑的基础。可逆计算从理论上可以很好的解决由比特位丢失引起的热能散发的问题，从而大大降低计算机的逻辑上的能耗[6];而三值可逆逻辑保持了二值可逆逻辑的可逆性，在运算的过程中不存在信息量的丢失，其三值逻辑的结构形式比二值逻辑丰富，可以很好的解决二值逻辑中不易解决的问题。三值可逆逻辑具有一些二值可逆逻辑没有的特点，对研究多值可逆逻辑具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三值可逆逻辑的全加器，支持八位三进制的数值在该可逆全加器上进行加法运算。本发明通过以下的技术方案实现的
一种四位三值可逆全加器，四位三值可逆全加器由四块一位三值可逆全加器级联而成，四位三值可逆全加器有三个四位的三值输入向量，分别是(A3，A2，A1，Atl)，( B3, B2, B1，B。)，((^，(；1，(；2，(；3);—个常量输入(0，0，0，0);四个四位三值输出向量，分别是(53，52，51，5(|)，(Cout3, Cout2, Coutl，Cout0), (P3, P2, P1, P0), (Q3, Q2, Q1, Q0);四位三值可逆全加器中第一块一位可逆全加器的输入Citl=O,第一块一位可逆全加器的输出Ctjutci与第二块一位可逆全加器的输 人Cil相连接，第二块一位可逆全加器的输出Ctjutl与第三块一位可逆全加器的输人Ci2相连接，第三块一位可逆全加器的输出Ctjut2与第四块一位可逆全加器的输人Ci3相连接。四位三值可逆全加器只处理“0”，“1”，“2”这三个数值，并且能完成两个四位三值数值的加法运% (A3A2A1A0) 3+ (B3B2B1Btl)3= (S3 S2 S1 S ) 3，进位为 Cout3。一位三值可逆全加器有四个输入，分别是常量0，A，B, Cin,四个输出，分别是Cwt，S，P, Q，一位三值可逆全加器由一个三值可逆加法门、一个三值可逆I控制循环I门和四个三值可逆双控门级联而成，四个三值可逆双控门分别为三值可逆01双控循环I门、三值可逆02双控循环I门、第一三值可逆10双控循环I门、第二三值可逆10双控循环I门，其级联顺序为(1)、A，B分别连接三值可逆加法门的两个输入x2，X1 ; (2)、三值可逆加法门的两个输出yp I2分别作为三值可逆01双控循环I门控制位输入X3，X2,常量输入O作为其目标位X1; (3)、三值可逆01双控循环I门控制位输出y3，y2，作为三值可逆02双控循环I门控制位输入x3，X2，三值可逆01双控循环I门控制位输出yi作为三值可逆02双控循环I门控制位输入X1 ; (4)、三值可逆02双控循环I门控制位输出y3，y2，作为第一三值可逆10双控循环I门控制位输入x3，X2，三值可逆02双控循环I门目标位输出yi作为第一三值可逆10双控循环I门目标位输入X1 ;(5)、Cin作为三值可逆I控制循环I门的控制位，第一三值可逆10双控循环I门控制位输出y3作为三值可逆I控制循环I门的目标位；(6)、三值可逆I控制循环I门的控制位输出y2、目标位输出Y1，作为第二三值可逆10双控循环I门控制位输入x3，X2，第一三值可逆10双控循环I门的目标位输出yi作为第二三值可逆10双控循环I门的目标位输入Xl。一位三值可逆全加器只处理“0”，“1”，“2”这三个数值，设置(；=0，能完成两个一位三值数值的加法运算A+B=S，进位为Cwt。所述三值可逆加法门
是一个二输入二输出的逻辑门，其输入A和B，输出P= ^-A\, Q=A B，其中I#—确定义为
(Β+3-Α)模3，“ ”为三值逻辑中的异或操作，所述三值可逆加法门通过输出Q实现二输入的模三加，而不涉及到进位。三值可逆I控制循环I门是一个二输入二输出的逻辑门，其输A X1和χ2，输出Y1和y2，控制位为χ2，其输出Y2不变，当控制位X2=I时，目标位Xi循环加I后输出Y1，其余情况下输出Y1等于输入Xl。三值可逆01双控循环I门是一个三输入三输出的逻辑门，其输入XpX2和χ3，输出n和y3，控制位为X2和χ3，其输出J2和y3不变,当且仅当X2=O且X3=I时，目标位X1循环加I后输出yi。第一三值可逆10双控循环I门和第二三值可逆10双控循环I门均是一个三输入三输出的逻辑门，其输入χι、χ2和X3，输出yi、I2和％，控制位为X2和χ3，其输出y2和y3不变，当且仅当χ2=ι且χ3=ο时，目标位X1循环加I后输出yp三值可逆02双控循环I门是一个三输入三输出的逻辑门，其输入XpX2和X3,输出yi、y2和y3，控制位为χ2和χ3，其输出y2和y3不变，当且仅当χ2=ο且χ3=2时，目标位X1循环加I后输出Y1。该四位三值可逆全加器系统扩展性好，可以较简便扩展形成8位或16位三值可逆全加器。
图I:三值可逆加法门；
图2 :三值可逆I控制循环I门； 图3 :三值可逆01双控循环I门；
图4 :三值可逆10双控循环I门；
图5 :三值可逆02双控循环I门；
图6 :—位三值可逆全加器；
图7:四位三值可逆全加器。
具体实施例方式为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。本发明通过以下的技术方案实现的
一种四位三值可逆全加器，四位三值可逆全加器由四块一位三值可逆全加器级联而成，四位三值可逆全加器有三个四位的三值输入向量，分别是(A3，A2，A1，Atl)，( B3, B2, B1，B。)，((^，(；1，(；2，(；3);—个常量输入(0，0，0，0);四个四位三值输出向量，分别是(53，52，51，5(|)，(Cout3, Cout2, Coutl，Cout0), (P3, P2, P1, P0), (Q3, Q2, Q1, Q0);四位三值可逆全加器中第一块一位可逆全加器的输入Citl=O,第一块一位可逆全加器的输出Ctjutci与第二块一位可逆全加器的输人Cil相连接，第二块一位可逆全加器的输出Ctjutl与第三块一位可逆全加器的输人Ci2相连接，第三块一位可逆全加器的输出Ctjut2与第四块一位可逆全加器的输人Ci3相连接。四位三值可逆全加器只处理“0”，“1”，“2”这三个数值，并且能完成两个四位三值数值的加法运% (A3A2A1A0) 3+ (B3B2B1Btl)3= (S3 S2 S1 S ) 3，进位为 Cout3。一位三值可逆全加器有四个输入，分别是常量0，A，B, Cin,四个输出，分别是Cwt，S，P, Q，一位三值可逆全加器由一个三值可逆加法门、一个三值可逆I控制循环I门和四个三值可逆双控门级联而成，四个三值可逆双控门分别为三值可逆01双控循环I门、三值可逆02双控循环I门、第一三值可逆10双控循环I门、第二三值可逆10双控循环I门，其级联顺序为(1)、A，B分别连接三值可逆加法门的两个输入x2，X1 ; (2)、三值可逆加法门的两个输出yp I2分别作为三值可逆01双控循环I门控制位输入X3，X2,常量输入O作为其目标位X1; (3)、三值可逆01双控循环I门控制位输出y3，y2，作为三值可逆02双控循环I门控制位输入x3，X2，三值可逆01双控循环I门控制位输出yi作为三值可逆02双控循环I门控制位输入X1 ; (4)、三值可逆02双控循环I门控制位输出y3，y2，作为第一三值可逆10双控循环I门控制位输入x3，X2，三值可逆02双控循环I门目标位输出yi作为第一三值可逆10双控循环I门目标位输入X1 ;(5)、Cin作为三值可逆I控制循环I门的控制位，第一三值可逆10双控循环I门控制位输出y3作为三值可逆I控制循环I门的目标位；(6)、三值可逆I控制循环I门的控制位输出y2、目标位输出Y1，作为第二三值可逆10双控循环I门控制位输入x3，X2，第一三值可逆10双控循环I门的目标位输出yi作为第二三值可逆10双控循环I门的目标位输入Xl。一位三值可逆全加器只处理“0”，“1”，“2”这三个数值，设置Ci =0，能完成两个一位三值数值的加法运算A+B=S，进位为(；ut。三值可逆加法门是一个二输入二输出的逻辑门。其输入A和B，输出P= \B-A\,
Q=A B。其中-圳定义为(Β+3-Α)模3，“ ”为三值逻辑中的异或操作。该门通过输出
Q实现二输入的模三加，而不涉及到进位，其真值表如表I所示，其可逆逻辑门如图I所示。表I为二值可逆加法门真值表
权利要求
1.一种四位三值可逆全加器，其特征在于所述四位三值可逆全加器由四块一位三值可逆全加器级联而成，所述四位三值可逆全加器有三个四位的三值输入向量，分别是(A3,A2, A1, A0), (B3, B2, B17B0), (CiQ，Cn，Ci2，Ci3);—个常量输入(O，O，O，O);四个四位三值输出向量，分别是(S3，S2, S1, S0), (Cout3, Cout2, Coutl, Cout0), (P3, P2, P1, P0), (Q3, Q2, Q1, Q0);所述四位三值可逆全加器中第一块一位可逆全加器的输入Citl=O,第一块一位可逆全加器的输出Cmui与第二块一位可逆全加器的输人Cil相连接，第二块一位可逆全加器的输出Cwtl与第三块一位可逆全加器的输人Ci2相连接，第三块一位可逆全加器的输出Cwt2与第四块一位可逆全加器的输人Ci3相连接。
2.根据权利要求I所述的四位三值可逆全加器，其特征在于所述四位三值可逆全加器只处理“0”，“ I ”，“2”这三个数值，并且能完成两个四位三值数值的加法运算(A3A2A1A0)3+ (B3B2B1B0)3= (S3 S2 S1 5。)3，进位为(；址3。
3.根据权利要求I所述的四位三值可逆全加器，其特征在于所述一位三值可逆全加器有四个输入，分别是常量0，A，B, Cin，四个输出，分别是Ctjut, S，P, Q，所述一位三值可逆全加器由一个三值可逆加法门、一个三值可逆I控制循环I门和四个三值可逆双控门级联而成，四个三值可逆双控门分别为三值可逆01双控循环I门、三值可逆02双控循环I门、第一三值可逆10双控循环I门、第二三值可逆10双控循环I门，其级联顺序为(1)、A，B分别连接三值可逆加法门的两个输入X2，X1 ; (2)、三值可逆加法门的两个输出y1; y2分别作为三值可逆01双控循环I门控制位输入x3，X2，常量输入O作为其目标位X1 ;(3)、三值可逆01双控循环I门控制位输出y3，y2，作为三值可逆02双控循环I门控制位输入x3，X2，三值可逆01双控循环I门控制位输出yi作为三值可逆02双控循环I门控制位输入X1 ； (4)、三值可逆02双控循环I门控制位输出y3，y2，作为第一三值可逆10双控循环I门控制位输入x3，X2，三值可逆02双控循环I门目标位输出yi作为第一三值可逆10双控循环I门目标位输入X1 ;(5)、Cin作为三值可逆I控制循环I门的控制位，第一三值可逆10双控循环I门控制位输出y3作为三值可逆I控制循环I门的目标位；(6)、三值可逆I控制循环I门的控制位输出y2、目标位输出Y1，作为第二三值可逆10双控循环I门控制位输入x3，X2，第一三值可逆10双控循环I门的目标位输出yi作为第二三值可逆10双控循环I门的目标位输入Xi。
4.根据权利要求3所述的一位三值可逆全加器，其特征在于所述一位三值可逆全加器只处理“0”，“1”，“2”这三个数值，设置Ci =0，能完成两个一位三值数值的加法运算A+B=S，进位为 Cout。
5.根据权利要求3所述的一位三值可逆全加器，其特征在于所述三值可逆加法门是一个二输入二输出的逻辑门，其输入A和B，输出P=!#-圳，Q=A B，其中-圳定义为(Β+3-Α)模3，“ ”为三值逻辑中的异或操作，所述三值可逆加法门通过输出Q实现二输入的模三加，而不涉及到进位。
6.根据权利要求3所述的一位三值可逆全加器，其特征在于所述三值可逆I控制循环I门是一个二输入二输出的逻辑门，其输入X1和χ2，输出Y1和y2，控制位为χ2，其输出I2不变，当控制位X2=I时，目标位X1循环加I后输出yi，其余情况下输出Y1等于输入Xl。
7.根据权利要求3所述的一位三值可逆全加器，其特征在于所述三值可逆01双控循环I门是一个三输入三输出的逻辑门，其输入Xp X2和X3，输出yp y2和y3，控制位为χ2和χ3，其输出y2和y3不变，当且仅当X2=O且χ3= 时，目标位X1循环加I后输出y10
8.根据权利要求3所述的一位三值可逆全加器，其特征在于所述第一三值可逆10双控循环I门和第二三值可逆10双控循环I门均是一个三输入三输出的逻辑门，其输入Xl、X2和X3,输出U2和y3,控制位为X2和X3,其输出I2和y3不变，当且仅当X2=I且X3=O时，目标位X1循环加I后输出Y1。
9.根据权利要求3所述的一位三值可逆全加器，其特征在于所述三值可逆02双控循环I门是一个三输入三输出的逻辑门，其输入χρ χ2和χ3，输出yp y2和y3，控制位为χ2和χ3，其输出y2和y3不变，当且仅当X2=O且χ3=2时，目标位X1循环加I后输出y10
全文摘要
本发明公开了一种四位三值可逆全加器，本发明将一个三值可逆加法门、一个三值可逆控制循环门和四个三值可逆双控门级联成一位可逆三值全加器，并在此基础上将上述一位可逆三值全加器级联，构造出四位三值可逆全加器。本发明系统扩展性好，可以较简便扩展形成8位或16位三值可逆全加器。
文档编号H03K19/173GK102684680SQ201210122290
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者周文浩, 张义清, 徐明强, 管致锦, 胡为民, 陈森博 申请人:南通大学