Вдохновленный недавней популярностью nandgame на TNB и моей собственной предыдущей задачей .

Фон

Плотно упакованный десятичный код (DPD) - это способ эффективного хранения десятичных цифр в двоичном виде. Он хранит три десятичных знака (от 000 до 999) в 10 битах, что намного эффективнее, чем наивный BCD (который хранит одну цифру в 4 битах).

Таблица перевода

DPD предназначен для простого преобразования между битами и цифрами путем простого сопоставления с шаблоном сверху вниз. Каждый битовый набор определяет, сколько старших цифр (8-9) имеет число, где они находятся и как перемещать биты, чтобы сформировать десятичное представление.

Ниже приведена таблица преобразования из 10 битов DPD в три десятичных знака. Каждая десятичная цифра представлена ​​в виде 4-битного двоичного кода (BCD). Обе стороны пишутся слева направо от самой значимой цифры к наименьшей.

Bits                 =>  Decimal         (Digit range)

a b c d e f 0 g h i  =>  0abc 0def 0ghi  (0-7) (0-7) (0-7)

a b c d e f 1 0 0 i  =>  0abc 0def 100i  (0–7) (0–7) (8–9)
a b c g h f 1 0 1 i  =>  0abc 100f 0ghi  (0–7) (8–9) (0–7)
g h c d e f 1 1 0 i  =>  100c 0def 0ghi  (8–9) (0–7) (0–7)

g h c 0 0 f 1 1 1 i  =>  100c 100f 0ghi  (8–9) (8–9) (0–7)
d e c 0 1 f 1 1 1 i  =>  100c 0def 100i  (8–9) (0–7) (8–9)
a b c 1 0 f 1 1 1 i  =>  0abc 100f 100i  (0–7) (8–9) (8–9)
x x c 1 1 f 1 1 1 i  =>  100c 100f 100i  (8–9) (8–9) (8–9)

нотации

• Буквы aв нижнем регистре i- это биты, которые копируются в десятичное представление.
• 0и 1являются точными битами во входных или выходных битовых комбинациях.
• x биты игнорируются при преобразовании.

задача

Создайте логическую схему с использованием двух входных вентилей NAND для преобразования 10 битов DPD в 12 битов BCD.

Примеры

Подчеркнутые биты являются битами сопоставления с образцом.

DPD                    Decimal  BCD
0 0 0 0 0 0 0 1 0 1    005      0000 0000 0101
            ^
0 0 0 1 1 0 0 0 1 1    063      0000 0110 0011
            ^
0 0 0 1 1 1 1 0 0 1    079      0000 0111 1001
            ^ ^ ^
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0    090      0000 1001 0000
            ^ ^ ^
0 0 0 1 0 1 1 1 1 0    098      0000 1001 1000
      ^ ^   ^ ^ ^
1 0 1 0 1 1 1 0 1 0    592      0101 1001 0010
            ^ ^ ^
0 0 1 1 0 0 1 1 0 1    941      1001 0100 0001
            ^ ^ ^
1 1 0 0 1 1 1 1 1 1    879      1000 0111 1001
      ^ ^   ^ ^ ^
1 1 1 0 0 0 1 1 1 0    986      1001 1000 0110
      ^ ^   ^ ^ ^
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1    999      1001 1001 1001
      ^ ^   ^ ^ ^
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1    999      1001 1001 1001
      ^ ^   ^ ^ ^

Критерий оценки и выигрыша

Счет - это количество входов NAND с двумя входами, используемых в вашей схеме. Самый низкий балл побеждает.

Вы можете определить небольшие компоненты в терминах вентилей NAND с двумя входами, а затем использовать их в своей окончательной конструкции. Если компонент Xвключает в себя Nвходные вентили NAND, каждое использование Xдобавляет Nк вашему счету. Для базовых логических элементов это означает:

• НЕ: +1
• 2-входное И: +2
• 2-х входное ИЛИ: +3
• 2 входа XOR: +4

45 NAND (или 43)

45 кажется абсолютным минимумом, но можно достичь 43 NAND с помощью хитрости: если предположить, что самые большие числа правильно закодированы.

888, 889, 898, 899, 988, 989, 998, 999 должны быть закодированы с 2-мя старшими битами как 00, требуя только 43 NAND для декодирования.

Однако в спецификации для декодирования они указаны как игнорируемые, то есть они могут быть чем угодно. Разумно предположить, что эта более свободная спецификация может потребовать еще меньше ворот, но верно и обратное. Для этого нужно 45 ворот. Эта экономия может дать реальные преимущества для реальных цепей.

Я также обнаружил схемы, которые были значительно более эффективными и быстрыми и содержали еще несколько ворот.

На этот раз не нарисованное карандашом изображение схемы. Возможно позже.

Схема представлена ​​в явном коде Verilog, готовом к работе с включенным тестом.

Verilog код:

// Densely packed decimal (DPD) to decimal, circuit in Verilog.
// 45 NANDs only, which seems to be minimal.
//
// By Kim Øyhus 2019 (c) into (CC BY-SA 3.0.)
// This work is licensed under the Creative Commons Attribution 3.0
// Unported License. To view a copy of this license, visit
// https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
//
// This is my entry to win this Programming Puzzle & Code Golf
// at Stack Exchange: 
// /codegolf/176557/densely-packed-decimal-dpd-to-decimal-with-logic-gates
//
// TASK:
// 3 decimal digits are stored in 10 bits in the DPD format,
// and this circuit transforms them into 3 decimal digits in
// 4 bits each, BCD format.
//
// 45 gates seem to be the smallest possible NAND circuit there is
// for this task, but I can get even lower by a trick, to 43:
// I assume that the largest numbers are correctly encoded.
//   888, 889, 898, 899, 988, 989, 998, 999 are to be encoded
// with the 2 MSB as 00, requiring just 43 NANDs for decoding.
//
//   However, in the specification for decoding, they are specified
// to be ignored, meaning they can be anything. It is a reasonable
// assumption that this freer specification could require even fewer
// gates, but the opposite is true. 45 gates are required for this.
// This saving could give real benefits for real circuits.
//
//   This DPD format seems to be used a lot for storing decimal numbers
// in computers and IO for ALUs, even though it is stored as 12 bits
// per 3 digits inside the ALUs and for other calculations.
// It is also used in many patents.


module decode1000 ( in_000, in_001, in_002, in_003, in_004, in_005, in_006, in_007, in_008, in_009, out000, out001, out002, out003, out004, out005, out006, out007, out008, out009, out010, out011 );
  input  in_000, in_001, in_002, in_003, in_004, in_005, in_006, in_007, in_008, in_009;
  output out000, out001, out002, out003, out004, out005, out006, out007, out008, out009, out010, out011;
  wire   wir000, wir001, wir002, wir003, wir004, wir005, wir006, wir007, wir008, wir009, wir010, wir011, wir012, wir013, wir014, wir015, wir016, wir017, wir018, wir019, wir020, wir021, wir022, wir023, wir024, wir025, wir026, wir027, wir028, wir029, wir030, wir031, wir032;

  nand gate000 ( wir000, in_007, in_007 );
  nand gate001 ( wir001, in_003, in_001 );
  nand gate002 ( wir002, in_002, in_003 );
  nand gate003 ( wir003, wir001, in_006 );
  nand gate004 ( wir004, wir002, in_001 );
  nand gate005 ( wir005, wir001, wir001 );
  nand gate006 ( wir006, in_005, in_001 );
  nand gate007 ( wir007, wir006, in_003 );
  nand gate008 ( out008, wir000, wir000 );
  nand gate009 ( wir008, wir004, wir007 );
  nand gate010 ( wir009, wir005, in_006 );
  nand gate011 ( wir010, wir007, wir007 );
  nand gate012 ( wir011, wir009, in_002 );
  nand gate013 ( wir012, wir011, wir009 );
  nand gate014 ( wir013, wir011, wir011 );
  nand gate015 ( wir014, in_008, wir013 );
  nand gate016 ( wir015, in_009, wir013 );
  nand gate017 ( wir016, wir010, wir014 );
  nand gate018 ( wir017, wir014, wir005 );
  nand gate019 ( wir018, wir015, wir015 );
  nand gate020 ( wir019, wir011, wir008 );
  nand gate021 ( wir020, wir019, wir006 );
  nand gate022 ( wir021, wir010, wir018 );
  nand gate023 ( wir022, wir020, wir004 );
  nand gate024 ( wir023, wir016, wir008 );
  nand gate025 ( out001, wir023, wir023 );
  nand gate026 ( out003, wir022, wir022 );
  nand gate027 ( wir024, wir005, wir008 );
  nand gate028 ( wir025, wir012, wir002 );
  nand gate029 ( wir026, wir019, in_003 );
  nand gate030 ( wir027, in_004, in_004 );
  nand gate031 ( out007, wir024, wir009 );
  nand gate032 ( out011, wir026, wir026 );
  nand gate033 ( wir028, wir017, in_005 );
  nand gate034 ( wir029, in_000, in_000 );
  nand gate035 ( wir030, wir026, in_008 );
  nand gate036 ( out005, wir028, wir028 );
  nand gate037 ( out009, wir030, wir030 );
  nand gate038 ( out000, wir029, wir029 );
  nand gate039 ( wir031, wir026, in_009 );
  nand gate040 ( out004, wir027, wir027 );
  nand gate041 ( out010, wir031, wir031 );
  nand gate042 ( wir032, out003, wir018 );
  nand gate043 ( out006, wir003, wir032 );
  nand gate044 ( out002, wir025, wir021 );
endmodule

module test;
   reg  [ 9:0] AB; // input DPD
   wire [11:0] C; // output BCD

  decode1000 U1 ( 
  .in_000 (AB[ 0]), 
  .in_001 (AB[ 1]), 
  .in_002 (AB[ 2]), 
  .in_003 (AB[ 3]), 
  .in_004 (AB[ 4]), 
  .in_005 (AB[ 5]), 
  .in_006 (AB[ 6]), 
  .in_007 (AB[ 7]), 
  .in_008 (AB[ 8]), 
  .in_009 (AB[ 9]), 
  .out000 ( C[ 0]),
  .out001 ( C[ 1]),
  .out002 ( C[ 2]),
  .out003 ( C[ 3]),
  .out004 ( C[ 4]),
  .out005 ( C[ 5]),
  .out006 ( C[ 6]),
  .out007 ( C[ 7]),
  .out008 ( C[ 8]),
  .out009 ( C[ 9]),
  .out010 ( C[10]),
  .out011 ( C[11])
  ); 

   initial  AB=0;  //unary=0;  binary=0
  always  #1  AB = AB+1;
  initial  begin
    $display("\t\ttime,\tinn 10bit   \tout 3x4bit"); 
    $monitor("%d,\t%b %b %b\t%b %b %b\t %d%d%d",$time, AB[9:7],AB[6:4],AB[3:0], C[11:8], C[7:4], C[3:0],  C[11:8], C[7:4], C[3:0]); 
  end 
  initial  #1023  $finish; 
endmodule

// How I run and test it:
// iverilog -o decode1000 decode1000.v
// vvp decode1000

65 62 60 58 NANDS

Принимая входы как i0для i9и выходы , как o0к o9, oa, obнам

t0 = nand(i6, i7)
t1 = nand(t0, t0)
t2 = nand(i3, i4)
o0 = nand(nand(nand(t2, i3), t1), nand(nand(t2, i8), t1))
t3 = nand(o0, o0)
t4 = nand(i0, t3)
o1 = nand(t4, t4)
t5 = nand(i1, t3)
o2 = nand(t5, t5)
o3 = i2
# Score 13 for the first decimal digit

u0 = nand(i6, i8)
u1 = nand(u0, t0)
u2 = nand(i4, t2)
o4 = nand(nand(nand(u2, u0), u2), nand(u1, t0))
u3 = nand(o4, o4)
u4 = nand(o0, i8)
u5 = nand(u4, u4)
u6 = nand(u3, nand(nand(u5, i0), nand(u4, i3)))
o5 = nand(u6, u6)
u7 = nand(u3, nand(nand(u5, i1), nand(u4, i4)))
o6 = nand(u7, u7)
o7 = i5
# Score 20 for the second decimal digit

o8 = nand(nand(nand(nand(i4, i8), o0), t1), nand(nand(i6, u1), i6))
v2 = nand(o8, o8)
v3 = nand(i6, i6)
v4 = nand(i7, i7)
v5 = nand(v2, nand(nand(i6, nand(nand(i7, i0), nand(v4, i3))), nand(v3, i7)))
o9 = nand(v5, v5)
v6 = nand(v2, nand(nand(i6, nand(nand(i7, i1), nand(v4, i4))), nand(v3, i8)))
oa = nand(v6, v6)
ob = i9
# Score 25 for the third decimal digit

Тестовые рамки Python для проверки правильности построения.