高性能浮点乘、加部件的研究与实现

论文摘要

浮点乘、加部件是高性能微处理器的核心运算部件之一,其速度对整个微处理器性能具有很大的影响。对高性能浮点乘、加的研究具有广泛的应用价值和重要的现实意义。本文对X处理器的浮点乘、加部件进行研究和优化设计,课题的研究内容做为国家重大项目“高性能X处理器”的一部分,研究成果直接应用于工程实践。主要研究成果包括以下几点:1.对高性能浮点乘法、浮点加法及其关键技术进行研究,在此基础上设计并实现了X处理器的高性能浮点乘法器和浮点加法器;2.设计了一套适合X处理器的前导0检测(LZD)电路,该电路不仅能快速检测前导0,还能提前计算出规格化字节移位量,使得前导0检测可以和规格化移位器的粗粒度移位操作并行执行,进一步减少了关键路径的长度;3.对浮点加法部件进行优化设计,将舍入合并技术应用到X处理器单数据通路浮点加法结构上,从而把舍入操作提前到和主加法操作并行执行,省去关键路径上的一个长延迟舍入加法器。4.整个设计通过了各种输入下包括IEEE CC754标准测试向量、特殊操作数、边界数据和大量的随机数的测试,用充分的测试保证了设计的正确性。最后,本文对所设计的浮点乘、加部件进行了综合和优化,将浮点乘法和加法部件分别划分成5级和4级流水站,在0.13μm CMOS工艺下,其频率均能达到700MHZ以上,满足了X处理器设计的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 浮点乘法器的研究现状
• 1.2.2 浮点加法器的研究现状
• 1.3 论文结构
• 第二章 浮点乘、加算法的研究
• 2.1 IEEE-754 浮点标准
• 2.1.1 浮点操作数的表示格式
• 2.1.1.1 单精度浮点数据格式及对应的特殊操作数
• 2.1.1.2 双精度浮点数据格式及对应的特殊操作数
• 2.1.2 浮点操作
• 2.1.3 浮点舍入方式
• 2.1.4 浮点异常处理
• 2.2 浮点乘法算法的研究
• 2.2.1 浮点乘法器结构
• 2.2.2 部分积编码算法
• 2.2.2.1 传统的Booth 算法
• 2.2.2.2 改进的Booth 算法
• 2.2.2.3 高阶Booth 算法
• 2.2.2.4 各种编码算法的比较
• 2.2.3 部分积压缩
• 2.2.3.1 阵列结构的部分累加
• 2.2.3.2 树型结构的部分累加
• 2.2.3.3 压缩结构的比较
• 2.2.4 压缩器结构
• 2.2.5 超长加法器的算法与结构
• 2.2.5.1 串行加法器
• 2.2.5.2 并行加法器
• 2.3 浮点加法算法的研究
• 2.3.1 浮点加法结构
• 2.3.1.1 单通路浮点加法结构
• 2.3.1.2 双通路浮点加法结构
• 2.3.2 前导0 算法
• 2.3.2.1 前导0 检测LZD
• 2.3.2.2 前导0 预测LZA
• 2.4 本章小结
• 第三章 X 处理器浮点乘法部件的设计与实现
• 3.1 总体结构设计
• 3.2 编码器的设计与部分积阵列的产生
• 3.2.1 基于多级二路选择器的Booth 编码器
• 3.2.2 基于one hot 编码的Booth 编码器
• 3.2.3 编码方案比较与选择
• 3.2.4 部分积阵列的产生
• 3.3 压缩方案选择与压缩器设计
• 3.4 Sticky 位探测器的设计与实现
• 3.4.1 传统的Sticky 值计算算法
• 3.4.2 优化的Sticky 值计算算法
• 3.4.2.1 计算原理
• 3.4.2.2 硬件实现及性能分析
• 3.5 超长加法器的设计
• 3.6 规格化与舍入单元的设计
• 3.7 指数数据通路的设计
• 3.8 本章小结
• 第四章 X 处理器浮点加法部件的设计与实现
• 4.1 浮点加法器总体结构设计
• 4.2 前导0 计算部件的设计
• 4.2.1 全编码方式的LZD 算法
• 4.2.2 LZD 优化算法
• 4.2.3 性能分析及方案的选择
• 4.3 浮点加法器的优化设计
• 4.3.1 传统的规格化、舍入串行结构
• 4.3.2 规格化、舍入并行结构
• 4.3.3 舍入提前到主加法器的并行结构
• 4.3.3.1 浮点加法运算的Cin 表达式
• 4.3.3.2 浮点减法运算的Cin 表达式
• 4.3.3.3 硬件实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 模拟验证与综合
• 5.1 功能验证
• 5.1.1 模块级验证
• 5.1.2 系统级验证
• 5.1.2.1 简单数据的测试
• 5.1.2.2 基于模拟器的测试
• 5.1.2.3 基于标准测试向量集的测试
• 5.1.2.4 大量随机测试
• 5.2 性能验证
• 5.2.1 综合优化
• 5.2.2 综合结果
• 第六章 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在硕士期间取得的学术成果