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Konstruktion des Barrel-Shifters
Der gewünschte Barrel-Shifter soll in der Lage sein, einen 4-Bit breiten Eingangsvektor \(x\) um bis zu 3 Bits nach links oder rechts zu verschieben. Außerdem soll es möglich sein, zwischen logischem und arithmetischem Shift zu wählen. Beginnen wir mit der Planung dieser Schaltung:
1. Grundlagen verstehen:
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Logischer Shift: Dabei werden die Bits in die gewünschte Richtung verschoben; neue Positionen werden mit 0 aufgefüllt.
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Arithmetischer Shift: Bei einem Rechtsshift wird das signifikanteste Bit (MSB) beibehalten, um das Vorzeichen zu bewahren. Links Shifts sind identisch mit logischen Shifts.
2. Steuersignale definieren:
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dir (0 für Links, 1 für Rechts): Bestimmt die Shift-Richtung.
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mode (0 für logisch, 1 für arithmetisch): Bestimmt die Shift-Art.
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shift_amount (2-Bit-Wert): Bestimmt die Anzahl der Stellen, um die verschoben wird.
3. Schaltungsentwurf:
Die Schaltung kann mit Multiplexern aufgebaut werden. Für jede Bitposition des Ausgangsvektors verwenden wir einen 8:1-Multiplexer, um zu entscheiden, welches Bit an diese Stelle kommt, basierend auf den Steuersignalen und der Anzahl der Verschiebungen.
Implementierung in VHDL:
Zuerst definieren wir die Entity und die Architecture:
vhdl
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity BarrelShifter is
Port (
x : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
dir : in STD_LOGIC;
mode : in STD_LOGIC;
shift_amount : in STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0);
y : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0)
);
end BarrelShifter;
architecture Behavioral of BarrelShifter is
begin
process(x, dir, mode, shift_amount)
begin
case dir is
when '0' => -- Links Shift
case shift_amount is
when "00" =>
y <= x;
when "01" =>
y <= x(2 downto 0) & '0';
when "10" =>
y <= x(1 downto 0) & "00";
when "11" =>
y <= x(0) & "000";
when others =>
y <= (others => '0');
end case;
when '1' => -- Rechts Shift
case shift_amount is
when "00" =>
y <= x;
when "01" =>
if mode = '0' then
y <= '0' & x(3 downto 1);
else
y <= x(3) & x(3 downto 1);
end if;
when "10" =>
if mode = '0' then
y <= "00" & x(3 downto 2);
else
y <= x(3) & x(3) & x(3 downto 2);
end if;
when "11" =>
if mode = '0' then
y <= "000" & x(3);
else
y <= x(3) & x(3) & x(3) & x(3);
end if;
when others =>
y <= (others => '0');
end case;
end case;
end process;
end Behavioral;
Diese VHDL-Implementierung beschreibt einen einfachen Barrel-Shifter, welcher die benötigten Funktionen abdeckt. Die Conditional Statements innerhalb der
process-Block verwenden die Steuersignale
dir und
mode zusammen mit
shift_amount, um zu bestimmen, wie der Eingangsvektor
x behandelt werden soll. Je nach Wert dieser Steuersignale wird
y entsprechend zugewiesen.
