累加器是什么_累加器的作用及原理介紹

　　累加器的概念

　　在中央處理器中，累加器（accumulator）是一種寄存器，用來(lái)儲(chǔ)存計(jì)算產(chǎn)生的中間結(jié)果。如果沒(méi)有像累加器這樣的寄存器，那么在每次計(jì)算（加法，乘法，移位等等）后就必須要把結(jié)果寫回到內(nèi)存，也許馬上就得讀回來(lái)。然而存取主存的速度是比從算術(shù)邏輯單元到有直接路徑的累加器存取更慢。

　　相位累加器原理

　　一個(gè)正弦波，雖然它的幅度不是線性的，但是它的相位卻是線性增加的。

　　DDS正是利用了這一特點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生正弦信號(hào)。如圖2，根據(jù)DDS的頻率控制字的位數(shù)N，把360°平均分成了2的N次等份。

　　圖2.相位累加器原理

　　假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為Fc，輸出頻率為Fout。每次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度360°/2N，則可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為Fc/2N的正弦波的相位遞增量。那么只要選擇恰當(dāng)?shù)念l率控制字M，使得Fout/Fc=M/2N，就可以得到所需要的輸出頻率Fout，

　　Fout=Fc*M/2N，相位幅度轉(zhuǎn)換通過(guò)相位累加器，我們已經(jīng)得到了合成Fout頻率所對(duì)應(yīng)的相位信息，然后相位幅度轉(zhuǎn)換器把0°~360°的相位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)相位的幅度值。比如當(dāng)DDS選擇為2Vp-p的輸出時(shí)，45°對(duì)應(yīng)的幅度值為0.707V，這個(gè)數(shù)值以二進(jìn)制的形式被送入DAC。這個(gè)相位到幅度的轉(zhuǎn)換是通過(guò)查表完成的。

　　DAC輸出代表幅度的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)被送入DAC中，并轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)輸出。注意DAC的位數(shù)并不影響輸出頻率的分辨率。輸出頻率的分辨率是由頻率控制字的位數(shù)決定的。

　　累加器的作用

　　1、在運(yùn)算器中，累加器是專門存放算術(shù)或邏輯運(yùn)算的一個(gè)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果的寄存器。能進(jìn)行加、減、讀出、移位、循環(huán)移位和求補(bǔ)等操作。是運(yùn)算器的主要部分。

　　2、在中央處理器CPU中，累加器（accumulator）是一種暫存器，它用來(lái)儲(chǔ)存計(jì)算所產(chǎn)生的中間結(jié)果。如果沒(méi)有像累加器這樣的暫存器，那么在每次計(jì)算（加法，乘法，移位等等）后就必須要把結(jié)果寫回到內(nèi)存，然后再讀回來(lái)。然而存取主內(nèi)存的速度是比從數(shù)學(xué)邏輯單元（ALU）到有直接路徑的累加器存取更慢。

　　3、在匯編語(yǔ)言程序中，累加器——AX是一個(gè)非常重要的寄存器，但在程序中用它來(lái)保存臨時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，最后將其轉(zhuǎn)存到其它寄存器或內(nèi)存單元中，以防止在其它指令的執(zhí)行過(guò)程中使其中的數(shù)據(jù)被修改，從而得到不正確的結(jié)果，為程序的調(diào)試帶來(lái)不必要的麻煩。

　　流水線相位累加器的設(shè)計(jì)

　　相位累加器是DDS的重要組成部分，在基準(zhǔn)時(shí)鐘控制下，它用來(lái)實(shí)現(xiàn)線性數(shù)字信號(hào)的逐級(jí)累加，信號(hào)范圍從0加到累加器的滿偏值，由此得到相應(yīng)的相位數(shù)據(jù)，而相位累加器的頻率就是DDS輸出信號(hào)的頻率。在通常的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)中，累加器模塊采用超前進(jìn)位加法器，這種結(jié)構(gòu)克服了串行進(jìn)位引起的時(shí)間滯后，很大程度上提高了加法器的運(yùn)算速度，但仍有不足。為了提高DDS頻率轉(zhuǎn)換速度和實(shí)時(shí)性，本文提出了一種流水線結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化DDS的相位累加器。

　　FPGA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)很適合采用流水線設(shè)計(jì)，以ALTEra低成本系列CycloneⅡ?yàn)槔粌H有最多達(dá)68416個(gè)邏輯單元（LE），每個(gè)LE均含有1個(gè)四輸入查找表LUT、1個(gè)可編程觸發(fā)器等。設(shè)計(jì)中可將1個(gè)算術(shù)操作分解成一些小規(guī)模的基本操作配置到LUT中，將進(jìn)位和中間值存儲(chǔ)在寄存器中，在下一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)繼續(xù)運(yùn)算，整個(gè)系統(tǒng)只需要極少或不需要額外的資源成本。

　　流水線結(jié)構(gòu)的基本原理是將整個(gè)電路劃分為若干個(gè)流水線級(jí)，每級(jí)之間設(shè)置寄存器鎖存上一級(jí)輸出的數(shù)據(jù)；每一級(jí)只完成數(shù)據(jù)處理的一部分，一個(gè)時(shí)鐘周期完成一級(jí)數(shù)據(jù)處理，然后在下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給下一級(jí)。第一組數(shù)據(jù)進(jìn)入流水線后，經(jīng)過(guò)1個(gè)時(shí)鐘周期傳到第二級(jí)，同時(shí)第二組數(shù)據(jù)進(jìn)入第一級(jí)，數(shù)據(jù)隊(duì)列依次前進(jìn)。每組數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)所有的流水線級(jí)后才能得到最后的計(jì)算結(jié)果，但對(duì)整個(gè)流水線而言，每個(gè)時(shí)鐘都能計(jì)算出一組結(jié)果，所以平均計(jì)算一組數(shù)據(jù)只需要一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間，這樣就大大提高了數(shù)據(jù)處理速度。圖2為在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下用原理圖輸入法搭建的流水線相位累加器結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)由四級(jí)流水線構(gòu)成，每一級(jí)流水線的輸入字節(jié)為8位，分別由8位數(shù)據(jù)鎖存器，8位數(shù)據(jù)全加器，1位數(shù)據(jù)鎖存器構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)32位輸入控制字的相位累加功能。根據(jù)流水線相位累加器的工作原理，首先將32位輸入控制字a由低位到高位平均分為4段，每一段為8位，分別以a［0．．7］到a［24．．32］來(lái)命名。將a［0．．7］作為第一級(jí)的輸入控制字輸入到8位數(shù)據(jù)鎖存器reg8中，在時(shí)鐘信號(hào)clk上升沿到來(lái)之時(shí)，reg8暫存的控制字會(huì)送入到8位數(shù)據(jù)全加器adder8中與另一個(gè)加法數(shù)和進(jìn)位信號(hào)進(jìn)行全加運(yùn)算。另一個(gè)加法數(shù)是來(lái)自本級(jí)運(yùn)算結(jié)果的反饋，為保持時(shí)鐘節(jié)拍的一致性，該反饋先輸入到另一個(gè)reg8中暫存，然后在時(shí)鐘上升沿到來(lái)之時(shí)輸入到全加器進(jìn)行運(yùn)算；進(jìn)位信號(hào)來(lái)自第四級(jí)，該信號(hào)也是先暫存在一個(gè)1位數(shù)據(jù)鎖存器reg1中再輸入到全加器中進(jìn)行運(yùn)算。

　　累加定時(shí)器在PLC控制程序中的應(yīng)用

　　1、累加定時(shí)器

　　在系統(tǒng)采用的歐姆龍PLC中，TTIM（087）定時(shí)器以0.1s為單位作增量計(jì)時(shí)，其功能趨勢(shì)如圖2所示。

　　當(dāng)定時(shí)器輸入為ON時(shí)，TTIM（087）使PV遞增；當(dāng)定時(shí)器輸入變OFF時(shí)，定時(shí)器停止使PV遞增，但PV的值將保持；當(dāng)定時(shí)器輸入再次變ON時(shí)，PV將重續(xù)計(jì)時(shí)；當(dāng)PV到達(dá)SV時(shí)，定時(shí)器完成標(biāo)志將變ON。定時(shí)器的PV和完成標(biāo)志的狀態(tài)在定時(shí)器計(jì)時(shí)完成后將保持。重啟定時(shí)器的方法有3種：將定時(shí)器的PV改為非零值（如通過(guò)MOV（021）指令）、使復(fù)位輸入變ON、執(zhí)行CNR（545）/CNRX（547）指令。定時(shí)器的精度為0～0.01s。

　　TIM之類的典型定時(shí)器使計(jì)數(shù)器減量計(jì)數(shù)，其PV表示到定時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束前剩余的時(shí)間。而TTIM（087）的PV則表示已經(jīng)過(guò)的時(shí)間，可在許多計(jì)算和顯示輸出中使用。

　　2、TTIM在內(nèi)部堵料判斷程序中的應(yīng)用

　　內(nèi)部堵料部分程序如圖3所示，D101的數(shù)據(jù)為記錄進(jìn)入清洗機(jī)內(nèi)的輪轂數(shù)量，累加定時(shí)器（TTIM）只有在D101大于0和1號(hào)、2號(hào)輥道電機(jī)運(yùn)行情況下才開始計(jì)時(shí)。該計(jì)時(shí)值不會(huì)因?yàn)榍靶驐l件斷開而復(fù)位，而是通過(guò)2號(hào)光電檢測(cè)（I:0.01）檢測(cè)到有輪轂來(lái)復(fù)位T61的計(jì)時(shí)值，此作用可以避免中斷電流而復(fù)位計(jì)時(shí)值，起到了等同于電機(jī)光電編碼器實(shí)時(shí)采集累加數(shù)值的效果。另外，通過(guò)變頻器設(shè)定的輥道電機(jī)運(yùn)行頻率，計(jì)算出輪轂從進(jìn)入到清洗完成需要的時(shí)間，賦給TTIM設(shè)置值，以此判斷進(jìn)入清洗機(jī)內(nèi)部的輪轂在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，有無(wú)卡在集中噴淋室內(nèi)部。

　　3、TTIM在烘干定位程序中的應(yīng)用

　　烘干定位程序如圖4所示，中間軟繼電器W33.0為自動(dòng)運(yùn)行中3號(hào)輥道電機(jī)的啟動(dòng)保持位，在沒(méi)有堵料的情況下，取2號(hào)光電檢測(cè)的下降沿信號(hào)置位W40.00，接通累加定時(shí)器T50，T50的設(shè)置值為3號(hào)輥道電機(jī)按照變頻器設(shè)置的頻率輸送到第一次吹風(fēng)烘干點(diǎn)所用的時(shí)間。T50計(jì)時(shí)完成，則判斷輪轂到達(dá)第一個(gè)烘干點(diǎn)，停止3號(hào)輥道電機(jī)，同時(shí)接通延時(shí)導(dǎo)通計(jì)時(shí)器T51；T51為輪轂在第一個(gè)烘干點(diǎn)的停止時(shí)間，當(dāng)T51計(jì)時(shí)完成復(fù)位掉T50的值及W40.00，接通第二次運(yùn)行啟動(dòng)保持位W40.01；依次循環(huán)，完成輪轂在3個(gè)固定位置的定位烘干。在此定位過(guò)程中，累加定時(shí)器的計(jì)時(shí)值不會(huì)因后續(xù)堵料或者急停事件的發(fā)生而復(fù)位，這樣可以精確地計(jì)算出輪轂在輥道上到達(dá)的位置，再次接通后繼續(xù)執(zhí)行剩余運(yùn)行時(shí)間，把輪轂準(zhǔn)確地送到定位烘干點(diǎn)。