專利名稱：一種基于量子可逆邏輯門的主從rs觸發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息領(lǐng)域中的低功耗時(shí)序邏輯電路，特別是基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器。
背景技術(shù)：
觸發(fā)器是時(shí)序電路研究的基礎(chǔ)，常用于實(shí)現(xiàn)接收、保存與輸出二進(jìn)制數(shù)碼信號的 0、1的功能，廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。主從觸發(fā)器由兩級觸發(fā)器構(gòu)成，其中一級接收輸入信號，其狀態(tài)直接由輸入信號決定，稱為主觸發(fā)器，還有一級的輸入與主觸發(fā)器的輸出連接，其狀態(tài)由主觸發(fā)器的狀態(tài)決定，稱為從觸發(fā)器?？梢允拐麄€(gè)RS觸發(fā)器處于某一確定狀態(tài)。Landauer指出，傳統(tǒng)不可逆邏輯電路的能量損耗根源是信息位的丟失，每一位信息的丟失對應(yīng)KT*Ln2焦耳的熱量產(chǎn)生，其中K是波爾茲曼常量，T是絕對溫度，在室溫下， 雖然能量的散失很少，但對于低功耗電路設(shè)計(jì)不能忽略。同時(shí)，能耗產(chǎn)生的熱量會極大地限制芯片的性能和計(jì)算速度。Deutsch提出量子邏輯門構(gòu)造量子計(jì)算機(jī)的思想，而量子邏輯門具備可逆操作的特性，其通過級聯(lián)的方式可以綜合設(shè)計(jì)量子邏輯電路，量子電路由于其特殊的結(jié)構(gòu)性，不存在信息位的丟失和電能與熱能的轉(zhuǎn)換，從根本上解決了傳統(tǒng)不可逆邏輯電路的熱耗問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器，采用量子可逆邏輯門設(shè)計(jì)，避免計(jì)算過程中信息位的丟失，降低了電路的功耗，降低了傳統(tǒng)主從RS觸發(fā)器的能耗，解決了高密度電路中能耗帶來的熱量散熱問題。技術(shù)方案為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器包括一個(gè)時(shí)序信號控制單元、第一輸入信號處理單元、第二輸入信號處理單元、一個(gè)主RS觸發(fā)器和一個(gè)從RS觸發(fā)器，第一輸入信號處理單元和第二輸入信號處理單元作為兩組信號處理單元，所述時(shí)序信號控制單元的輸出信號一部分經(jīng)過第一輸入信號處理單元處理后經(jīng)過主RS觸發(fā)器輸入第二輸入信號處理單元，時(shí)序信號控制單元的輸出信號另一部分輸入第二輸入信號處理單元，第二輸入信號處理單元的輸出信號經(jīng)過從RS觸發(fā)器處理后得到最終輸出信號。主RS觸發(fā)器、從RS觸發(fā)器均由基本可逆RS觸發(fā)器構(gòu)成。具體地，所述的基于量子可逆門的主從RS觸發(fā)器在時(shí)鐘信號CP的作用下，根據(jù)原始輸入_玄、互信號的不同，具有置0、置1和保持功能。其中，時(shí)鐘信號CP作為時(shí)序信號控制單元的第一輸入，常量0、1、1、0、0分別為時(shí)序信號控制單元的第二、第三、第四、第五、 第六輸入。時(shí)序信號控制單元的第一輸出作為第一輸入信號處理單元的第一輸入，時(shí)序信號控制單元的第二輸出作為第二輸入信號處理單元的第三輸入，時(shí)序信號控制單元的第三輸出作為第一輸入信號處理單元的第三輸入，時(shí)序信號控制單元的第四輸出作為第二輸入信號處理單元的第一輸入，時(shí)序信號控制單元的第五輸出作為第二輸入信號處理單元的第五輸入。時(shí)序信號控制單元的第六輸出作為第一輸入信號處理單元的第五輸入。原始輸入信號_—玄、互分別作為第一輸入信號處理單元的第二輸入、第四輸入。第一輸入信號處理單元的第二輸出、第五輸出分別作為作為主RS觸發(fā)器的第一輸入、第二輸入。主RS觸發(fā)器第一輸出作為第二輸入信號處理單元的第二輸入，主RS觸發(fā)器第二輸出作為第二輸入信號處理單元的第四輸入。第二輸入信號處理單元的第二輸出、第五輸出分別作為從RS觸發(fā)器的第一輸入、第二輸入。從RS觸發(fā)器的第一輸出為Q，從RS觸發(fā)器的第二輸出為&，即基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器的最終輸出Q、&。更進(jìn)一步地，時(shí)序信號控制單元由一個(gè)Fredkin(FRG)門和第一、第二、第三 Feynman (FG門)級聯(lián)實(shí)現(xiàn)；所述的第一輸入信號處理單元由第一、第二 Peres門級聯(lián)組成， 所述的第二輸入信號處理單元由第三、第四Peres門級聯(lián)實(shí)現(xiàn)；所述的主觸發(fā)器由第五、第六Peres門級聯(lián)組成；所述的從觸發(fā)器由第七、第八Peres門級聯(lián)組成。本發(fā)明技術(shù)方案的基于量子可逆門的主從RS觸發(fā)器中，當(dāng)時(shí)鐘信號CP = 1時(shí)，經(jīng)過時(shí)序信號控制單元的控制交換作用，主RS觸發(fā)器(即主可逆RS觸發(fā)器)左側(cè)的輸入信號處理單元的目標(biāo)位輸出變量5、互，即主RS觸發(fā)器正常接收輸入信號。同時(shí)，位于從RS 觸發(fā)器(即從RS觸發(fā)器)左側(cè)的輸入信號處理單元的目標(biāo)位輸出全部為0，使從RS觸發(fā)器亦即整個(gè)可逆RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。而CP = 0時(shí)，主RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變，從RS 觸發(fā)器工作并接收主RS觸發(fā)器的原狀態(tài)信號，從而使整個(gè)可逆RS觸發(fā)器正常輸出信號。有益效果本發(fā)明的基于量子可逆門的主從RS觸發(fā)器采用可逆邏輯門設(shè)計(jì)，因此避免了信息位的丟失，從而減少了由此帶來的能量損耗，大大降低了應(yīng)用RS觸發(fā)器的電路的能耗。


圖1是Peres門示意圖；圖 2 是 Fredkin (FRG)門示意圖；圖 3 =Feynman (FG)門示意圖；圖4 (a)為可逆RS觸發(fā)器示意圖，(b)為可逆RS觸發(fā)器單元示意圖；圖5(a)為時(shí)序信號控制電路示意圖，(b)為時(shí)序信號控制單元示意圖；圖6(a)為輸入信號處理電路示意圖，(b)為輸入信號處理單元示意圖；
圖7是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說明如圖7所示，本實(shí)施例的基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器包括一個(gè)主從觸發(fā)器選擇單元、兩個(gè)基于Peres門的RS觸發(fā)器輸入信號處理單元、由兩個(gè)基本可逆RS觸發(fā)器分別構(gòu)成的主RS觸發(fā)器和從RS觸發(fā)器。如圖4(a)所示，基本可逆RS觸發(fā)器由兩個(gè)Peres門級聯(lián)而成，Peres門功能如圖 1所示，5、互為輸入。從上往下，第一個(gè)Peres門的第二輸入為互，第二個(gè)Peres門的第二輸入為5。第一個(gè)Peres門、第二個(gè)Peres門的第三輸入均為常量0。第一個(gè)Peres門的第三輸出作為第二個(gè)Peres門的第一輸入，第二個(gè)Peres門的第三輸出作為第一個(gè)Peres門的第一輸出。第一個(gè)Peres門和第二個(gè)Peres門的第一輸出分別為Q、&，即為可逆RS觸發(fā)器的最終輸出。其相應(yīng)的可逆單元如圖4(b)所示。如圖5(a)所示，時(shí)序信號控制單元由一個(gè)FRG門和三個(gè)TO門級聯(lián)而成，F(xiàn)RG門結(jié)構(gòu)如圖2所示，re門結(jié)構(gòu)如圖3所示?？梢钥闯?，F(xiàn)RG門起到控制交換的作用，re門用來復(fù)制信號。時(shí)鐘信號CP = ι時(shí)，從上到下，第一個(gè)re門輸出1、0，分別作為第一輸入信號處理單元和第二輸入信號處理單元的第一輸入，第二個(gè)re門輸出ι，ι，分別作為第二輸入信號處理單元的第三輸入和第五輸入，從而觸發(fā)器被鎖定；第三個(gè)re門輸出o，o，從而主觸發(fā)器正常輸入。相應(yīng)的可逆單元見圖5(b)。如圖6(a)所示，輸入信號處理單元由兩個(gè)Peres門級聯(lián)而成，伴隨著三個(gè)無用輸出，原理圖如圖6(b)所示。P，Q為輸入信號處理單元的有用輸出，它和時(shí)序信號控制單元共同完成控制主從觸發(fā)器分別工作的任務(wù)。如圖7所示，本實(shí)施例的主從RS觸發(fā)器中，所述的時(shí)序信號控制單元中，外界時(shí)鐘 CP信號輸入時(shí)序信號控制單元的第一輸入端，常量0、1、1、0、0分別輸入時(shí)序信號控制單元的第二、第三、第四、第五、第六輸入端；時(shí)序信號控制單元的第一輸出端與第一輸入信號處理單元的第一輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第二輸出端與第二輸入信號處理單元的第三輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第三輸出端與第一輸入信號處理單元的第三輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第四輸出端與第二輸入信號處理單元的第一輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第五輸出端與第二輸入信號處理單元的第五輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第六輸出端與第一輸入信號處理單元的第五輸入端連接；外界第一原始輸入信號玄、第二原始輸入信號互分別輸入第一輸入信號處理單元的第二輸入端、第四輸入端；第一輸入信號處理單元的第二輸出端與主RS觸發(fā)器的第一輸入端連接，第一輸入信號處理單元的第五輸出端與主RS觸發(fā)器的第二輸入端連接；主RS觸發(fā)器第一輸出端與第二輸入信號處理單元的第二輸入端連接，主RS觸發(fā)器第二輸出端與第二輸入信號處理單元的第四輸入端連接；第二輸入信號處理單元的第二輸出端與從RS觸發(fā)器的第一輸入端連接，第二輸入信號處理單元的第五輸出端與從RS觸發(fā)器的第二輸入端連接；從RS觸發(fā)器的第一輸出端和第二輸出端輸出最終信號。本實(shí)施例的基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器的工作原理為當(dāng)CP = 0時(shí)，時(shí)序信號控制單元中re門的作用下，主可逆RS觸發(fā)器被封鎖，保持輸出狀態(tài)不變，此時(shí)從可逆RS觸發(fā)器正常輸入輸出。當(dāng)CP = ι時(shí)，時(shí)序信號控制單元中re 門的作用下，從可逆RS觸發(fā)器被封鎖，保持輸出狀態(tài)不變，此時(shí)主可逆RS觸發(fā)器正常輸入輸出。即在CP的下降沿到來時(shí)，可逆主從RS觸發(fā)器輸出發(fā)生改變。
權(quán)利要求
1.一種基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器，其特征在于，包括一個(gè)時(shí)序信號控制單元、第一輸入信號處理單元、第二輸入信號處理單元、一個(gè)主RS觸發(fā)器和一個(gè)從RS觸發(fā)器， 所述時(shí)序信號控制單元的輸出信號一部分經(jīng)過第一輸入信號處理單元處理后經(jīng)過主RS觸發(fā)器輸入第二輸入信號處理單元，時(shí)序信號控制單元的輸出信號另一部分輸入第二輸入信號處理單元，第二輸入信號處理單元的輸出信號經(jīng)過從RS觸發(fā)器處理后得到最終輸出信號。
2.如權(quán)利要求1所述的基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器，其特征在于，所述的時(shí)序信號控制單元中，外界時(shí)鐘CP信號輸入時(shí)序信號控制單元的第一輸入端，常量0、1、1、0、 0分別輸入時(shí)序信號控制單元的第二、第三、第四、第五、第六輸入端；時(shí)序信號控制單元的第一輸出端與第一輸入信號處理單元的第一輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第二輸出端與第二輸入信號處理單元的第三輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第三輸出端與第一輸入信號處理單元的第三輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第四輸出端與第二輸入信號處理單元的第一輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第五輸出端與第二輸入信號處理單元的第五輸入端連接，時(shí)序信號控制單元的第六輸出端與第一輸入信號處理單元的第五輸入端連接； 外界第一原始輸入信號( )、第二原始輸入信號〔1)分別輸入第一輸入信號處理單元的第二輸入端、第四輸入端；第一輸入信號處理單元的第二輸出端與主RS觸發(fā)器的第一輸入端連接，第一輸入信號處理單元的第五輸出端與主RS觸發(fā)器的第二輸入端連接；主RS觸發(fā)器第一輸出端與第二輸入信號處理單元的第二輸入端連接，主RS觸發(fā)器第二輸出端與第二輸入信號處理單元的第四輸入端連接；第二輸入信號處理單元的第二輸出端與從RS觸發(fā)器的第一輸入端連接，第二輸入信號處理單元的第五輸出端與從RS觸發(fā)器的第二輸入端連接；從RS觸發(fā)器的第一輸出端和第二輸出端輸出最終信號。
3.如權(quán)利要求1所述的基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器，其特征在于，時(shí)序信號控制單元由一個(gè)FRG門和第一、第二、第三re門級聯(lián)組成。
4.如權(quán)利要求1所述的基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器，其特征在于，所述的第一輸入信號處理單元由第一、第二 Peres門級聯(lián)組成，所述的第二輸入信號處理單元由第三、第四Peres門級聯(lián)組成。
5.如權(quán)利要求1所述的基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器，其特征在于，所述的主觸發(fā)器由第五、第六Peres門級聯(lián)組成；所述的從觸發(fā)器由第七、第八Peres門級聯(lián)組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于量子可逆邏輯門的主從RS觸發(fā)器，其特征在于，包括一個(gè)時(shí)序信號控制單元、第一輸入信號處理單元、第二輸入信號處理單元、一個(gè)主RS觸發(fā)器和一個(gè)從RS觸發(fā)器，所述時(shí)序信號控制單元的輸出信號一部分經(jīng)過第一輸入信號處理單元處理后經(jīng)過主RS觸發(fā)器輸入第二輸入信號處理單元，時(shí)序信號控制單元的輸出信號另一部分輸入第二輸入信號處理單元，第二輸入信號處理單元的輸出信號經(jīng)過從RS觸發(fā)器處理后得到最終輸出信號。本發(fā)明的基于量子可逆門的主從RS觸發(fā)器采用可逆邏輯門設(shè)計(jì)，因此避免了信息位的丟失，從而減少了由此帶來的能量損耗，大大降低了應(yīng)用RS觸發(fā)器的電路的能耗。
文檔編號H03K19/00GK102522963SQ201110411159
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者周影輝, 張培喜, 張砦, 王友仁 申請人:南京航空航天大學(xué)