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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于可逆邏輯的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型（Recom-II）
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 設(shè)計(jì)了一種基于可逆邏輯的可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型Recom-II。利用可逆邏輯門代替?zhèn)鹘y(tǒng)邏輯門完成整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型的設(shè)計(jì)，該原型機(jī)可以完成中央處理單元基本功能。將系統(tǒng)植入FPGA芯片，硬件驗(yàn)證了原型機(jī)的功能和正確性。 Recom-II通過重用邏輯信息位，減少了因信息位丟失而產(chǎn)生的能量損耗。通過Virtuoso系統(tǒng)驗(yàn)證了Recom-II的組成部件--可逆全加器能夠降低94.8%的功耗。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于可逆邏輯的可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型Recom-II。使用可逆邏輯門作為邏輯器件完成整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型的設(shè)計(jì)。該原型機(jī)由可逆算術(shù)邏輯單元、可逆微程序控制器、可逆程序計(jì)數(shù)器、可逆時(shí)許發(fā)生器以及一系列可逆寄存器組成，可以完成計(jì)算機(jī)中央處理單元基本功能。設(shè)計(jì)中，使用可逆邏輯門完全取代傳統(tǒng)邏輯門，通過重用邏輯信息位，減少邏輯信息位的消耗和丟失，從而降低能量的損耗，實(shí)現(xiàn)低功耗。 傳統(tǒng)的不可逆邏輯運(yùn)算會會引起一個(gè)信息位能量損耗，而Bennett提出了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的每步操作都可以改造為可逆操作，使得兩者具有完全相同的計(jì)算能力和計(jì)算效率?；诳赡孢壿嫷目赡嬗?jì)算機(jī)系統(tǒng)原型就是在這些理論的基礎(chǔ)上出來的，對一部分信號量進(jìn)行重新利用，減少能量的損耗。 將使用可逆邏輯設(shè)計(jì)的各個(gè)部件相連，構(gòu)成整體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型，為此原型機(jī)設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)與微指令系統(tǒng)，使其可以完成中央處理單元的功能。 本作品使用了兩種方法來驗(yàn)證可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型的正確性。第一種是通過C++語言編程來模擬原型機(jī)的電路設(shè)計(jì)，通過變量的數(shù)值變化表示電路的電位變化，通過賦值表示電路連接，模擬結(jié)果驗(yàn)證了原型機(jī)的各個(gè)部件的正確性。第二種是通過Quartus軟件模擬電路連接的方法，設(shè)計(jì)出具有可逆邏輯門相同功能的"黑盒"芯片，直接使用“黑盒”芯片來完成電路連接，并通過數(shù)據(jù)變化的波形圖來驗(yàn)證原型機(jī)各個(gè)部件及整個(gè)系統(tǒng)的功能的正確性。仿真結(jié)果表明，Recom-II中的各個(gè)部件均可準(zhǔn)確地完成其特定的功能，并且可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型完全可以實(shí)現(xiàn)中央處理單元的功能。 在使用Quartus軟件完成了編譯和仿真驗(yàn)證后， 將其程序下載到FPGA芯片中，完成了可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型從設(shè)計(jì)到軟件仿真到硬件驗(yàn)證過程。 在Virtuoso環(huán)境下，采用PMOS、NMOS并聯(lián)傳輸門結(jié)構(gòu)構(gòu)成Feynman、Toffoli邏輯電路，并構(gòu)建一位全加器，驗(yàn)證可逆邏輯結(jié)構(gòu)降功耗的效果。 可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型的提出對可逆邏輯應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)的發(fā)展有著重要的意義。鑒于可逆邏輯在降低功耗上的優(yōu)越性，在未來的集成電路設(shè)計(jì)中必將有廣泛的應(yīng)用，隨著硬件水平的提高，工藝與材料對可逆邏輯電路的制約也將隨之降低。屆時(shí)，本文提出的可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型會在未來計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中有著極有意義的參考價(jià)值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的： 1.設(shè)計(jì)基于可逆邏輯的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型； 2.驗(yàn)證可逆原型機(jī)的可行性、正確和功能； 3.驗(yàn)證可逆原型機(jī)低功耗性能； 4.為低功耗可逆計(jì)算的發(fā)展提供依據(jù)。 基本思路： 1.使用基本可逆邏輯門構(gòu)建可逆電路； 2.設(shè)計(jì)可逆全加器，算術(shù)邏輯運(yùn)算單元,程序計(jì)數(shù)器、時(shí)序產(chǎn)生器等邏輯部件。按照可逆邏輯部件構(gòu)建可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)； 3.利用C++語言對系統(tǒng)進(jìn)行正確性和功能性驗(yàn)證； 4.采用QuartusII對電路進(jìn)行仿真； 5.通過QuartusII軟件和DE2實(shí)驗(yàn)電路板，將邏輯部件構(gòu)成一個(gè)8位運(yùn)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型寫入FPGA上； 6.在Virtuoso環(huán)境下，采用PMOS、NMOS并聯(lián)傳輸門結(jié)構(gòu)構(gòu)成Feynman、Toffoli邏輯電路，并構(gòu)建一位全加器，驗(yàn)證可逆邏輯結(jié)構(gòu)降功耗的效果； 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.利用可逆邏輯實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)功能部件，與傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)有著根本不同； 2.通過重用信息位，避免因信息位丟失而損失能量。與傳統(tǒng)的低功耗電路設(shè)計(jì)方法有本質(zhì)不同； 3.傳統(tǒng)的可逆邏輯應(yīng)用于量子計(jì)算，本作品把可逆邏輯應(yīng)用于電子電路 技術(shù)關(guān)鍵： 1.Recom-II各個(gè)部件（如可逆算術(shù)邏輯單元）的可逆設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； 2.系統(tǒng)功能性和正確性的驗(yàn)證； 3.基于FPGA的可逆邏輯部件的實(shí)現(xiàn)； 4.可逆電路低功耗運(yùn)行的驗(yàn)證； 5.可逆原型機(jī)的時(shí)序控制； 技術(shù)指標(biāo)： 內(nèi)部數(shù)據(jù)總線位數(shù)：8位 微指令數(shù)：21條 可逆門數(shù)：1039 功耗降低比分比：90%以上
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品實(shí)現(xiàn)的可逆原型計(jì)算機(jī)完全建立在可逆邏輯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，能夠完成計(jì)算機(jī)中央處理單元的基本功能。使用電子電路的方法實(shí)現(xiàn)可逆邏輯設(shè)計(jì)，降低電路的功耗。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：可逆邏輯實(shí)現(xiàn)的全加器（FA）比不可逆邏輯的電路能耗降低了94.8%。 目前國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)單個(gè)的可逆邏輯器件，還沒有設(shè)計(jì)出整體的可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009.10， 《基于PNC級聯(lián)系統(tǒng)》 南通市“天翼杯”本科組編程大賽榮獲特等獎(jiǎng)。 2010.4，論文《基于可逆函數(shù)復(fù)雜性的正反控制門可逆網(wǎng)絡(luò)綜合》，發(fā)表于《計(jì)算機(jī)科學(xué)》雜志社。 2010.6，論文《Using New Designed NLG Gate for the Realization of Four-bit Reversible Numerical Comparator》 發(fā)表于ICENT 2010 2010.7論文《Function Modular design of the DES encryption system based on reversible logic gates》發(fā)表于MEDIACOM 2010，IEEE computer society
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 模型、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 1、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢： ① 低能耗： 在計(jì)算機(jī)進(jìn)行算術(shù)/邏輯運(yùn)算時(shí)，因?yàn)樾畔⑽坏膩G失會產(chǎn)生能量的損失，基于可逆邏輯設(shè)計(jì)思想，可以減少這部分信息位丟失而差生的能量?？赡孢壿媽?shí)現(xiàn)的全加器（FA）比不可逆邏輯的電路能耗降低了94%。 ②易于擴(kuò)展： 隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理的字長會越來越多，本作品目前以8位作為運(yùn)算單元，從原理上可以擴(kuò)展到任意字長。 ③實(shí)現(xiàn)電路代價(jià)?。? 在設(shè)計(jì)過程中，最大限度的使用可逆門輸出端的信號，從而減少了可逆邏輯門和垃圾輸出的個(gè)數(shù)，使得電路在實(shí)現(xiàn)時(shí)代價(jià)特別小。 2、適應(yīng)范圍： 完成一般計(jì)算機(jī)的相關(guān)功能。 3、應(yīng)用前景： 可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型的提出對可逆邏輯應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)的發(fā)展有著重要的意義。鑒于可逆邏輯在降低功耗上的優(yōu)越性，在未來的集成電路設(shè)計(jì)中必將有廣泛的應(yīng)用，隨著硬件水平的提高，工藝與材料對可逆邏輯電路的制約也將隨之降低，屆時(shí)，本作品提出的可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原型會在未來計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中有著極有意義的參考價(jià)值。
同類課題研究水平概述
- 在過去的30年里，F(xiàn)eynman，F(xiàn)redkin以及Toffoli等人已提出了很多基本的可逆邏輯門。已有許多學(xué)者利用各種綜合方法，將這些門以級聯(lián)的形式構(gòu)建可逆邏輯門網(wǎng)絡(luò)，來減少常量輸入數(shù)及無用輸出數(shù)。例如：Hafiz Md. Hasan Babu等人設(shè)計(jì)的全加器（FA）、Masoumeh Shams等人設(shè)計(jì)的乘法器、Himanshu Thapliyal等人設(shè)計(jì)的觸發(fā)器，F(xiàn)rank設(shè)計(jì)了一種4位可逆運(yùn)算單元。 目前國外現(xiàn)有的技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)單個(gè)的可逆邏輯器件，諸如：全加器，觸發(fā)器、除法器、比較器等，還沒有設(shè)計(jì)出整體超過8位的可逆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
