【摘要】： 航空航天、數(shù)字信號處理、實時語音圖像和高精度計算等應用領域對浮點數(shù)處理的要求越來越高,浮點單元(FPU, Floating-Point Unit)已經(jīng)成為當代微處理器中一個至關重要的組成部分。由于集成電路技術的發(fā)展,芯片的集成度越來越高,如何實現(xiàn)FPU的功能、提高FPU的性能已成為一個重要的研究課題。基于PowerPC的FPU課題來源于哈爾濱工業(yè)大學(威海)微電子中心的合作項目,是中央處理器的協(xié)處理單元,在不占用中央處理單元資源的基礎上負責基本算術指令、比較指令等六類35條浮點指令的處理,其性能的優(yōu)劣直接影響到處理器的性能。 論文在對IEEE-754浮點數(shù)標準研究和各種算法比較選擇基礎上,根據(jù)PowerPC的體系結構和指令系統(tǒng),選擇相應的算法,提出實現(xiàn)FPU的設計方案:將整個設計分為譯碼、數(shù)據(jù)通路、控制通路和異常檢測四個部分。采用自頂向下的數(shù)字集成電路設計方法,對各部分進行寄存器傳輸級的描述,通過對各指令控制通路和數(shù)據(jù)通路進行合并和優(yōu)化。 算法的分析和比較:加減法是設計的基礎,乘、除、開方運算是設計的重點。通過對算法的分析,從實現(xiàn)的速度、功耗、面積和實現(xiàn)的復雜程度等方面比較選擇相應的實現(xiàn)算法。 乘、除、開方指令的硬件實現(xiàn):根據(jù)實現(xiàn)乘除法計算流程,采用改進的Booth2算法實現(xiàn)乘法單元,采用SRT-4算法進行除法和開方的硬件實現(xiàn)。 硬件合并:為減少FPU實現(xiàn)的規(guī)模采取硬件合并,將六類35條指令進行功能單元合并。硬件分為數(shù)據(jù)通路和控制通路。數(shù)據(jù)通路包括指數(shù)通路和尾數(shù)通路,是操作數(shù)的通道,指令運算的場所;控制通路是FPU設計的核心,控制指令的運算;異常檢測模塊檢測指令執(zhí)行過程中各種異常情況。 通過搭建驗證平臺,采用大量激勵對FPU功能進行驗證,其功能完全能夠實現(xiàn);為了檢測時序要求,采用中芯國際SMIC的0.18μm CMOS工藝對其進行了綜合,在面積不到0.3mm2的情況下速度可以達到266MHz以上;將sdf文件反標到門級網(wǎng)表中,對FPU設計進行時序仿真,仿真結果表明此FPU設計的性能完全符合設計要求。 基于PowerPC的FPU是當代微處理器一個重要的組成部分,本設計的研究為生產(chǎn)具有自主產(chǎn)權的高性能嵌入式微處理器積累了經(jīng)驗。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TP332
【圖文】：

Carry Sum圖2-5 CSA 電路結構ig. 2-5 Circuit Architecture of CSASA 部件以 3:2 的壓縮比對部為止。再通過進位傳遞加法器的結果。此后 Dadda 提出了入和 k 個輸出，其中 j≤ 2k上是 5:3 計數(shù)器)具有較好的平法單元構成的乘法器在總體性為了目前乘法器中較多采用的

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文- 12 -圖2-7 乘法單元結構Fig. 2-7 Architecture of Multiply Unit2.2.2 除法算法除法算法包括數(shù)字迭代法和函數(shù)迭代法兩種類型。在函數(shù)迭代法中實現(xiàn)的最多的是 Newton-Raphson 和 GoldSchmidt 算法。在數(shù)字迭代法中根據(jù)試商過程中是否恢復余數(shù)分為恢復余數(shù)法和不恢復余數(shù)法，其詳細分類如圖2-8所示。圖2-8 除法算法分類Fig. 2-8 Category of DivsionSRT 算法是不恢復余數(shù)中的一種，在近現(xiàn)代處理器的浮點除法與開方運算單元中被廣泛采用。本章詳細討論 SRT 算法的關鍵特性，主要是商的冗余表示以及商數(shù)字選擇函數(shù)的原理。2.2.2.1 不恢復余數(shù)除法原理 在普通的非冗余基 r 數(shù)字系統(tǒng)中，一個數(shù)位可以在數(shù)字集{0,1,…,r 1}中取值，并且所有的數(shù)字都是以唯一的方式表示；而如果數(shù)字集中元素的個數(shù)多于 r，那么任意數(shù)字都可以用多種有符號格式表示，并且名為冗余(Redundant)。Avizienis 引入了一種特殊的冗余數(shù)字集

minmax = ρ +=ρ+(2-28)如圖2-9所示：圖2-9 商選擇函數(shù)的 PD 圖表示Fig. 2-9 PD Diagram of Quotient Seletion顯然，相鄰的兩個選擇區(qū)間存在著重疊區(qū)域，重疊區(qū)域的大小由冗余因子ρ與除數(shù) x 決定。在重疊區(qū)域[Ll, Ul-1)內，qk+1=l 或者 qk+1=l－1 都是正確的取值。所以，在迭代中無需知道每次 rR[ k]的準確值，無需進行全精度模式下的 (l ρ )x≤rR[k]與 (l ρ )x>rR[k]的比較操作。且重疊區(qū)間越大，比較操作中所需精度越小。所以，重疊區(qū)間的存在簡化了商數(shù)字選擇函數(shù)的復雜性，從而提高了其運算效率。有限精度模式下的商選擇函數(shù)

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本文編號：2755219