低功耗算术逻辑单元的设计与实现

论文摘要

算术逻辑单元(ALU)是高性能数字信号处理器中的核心部件之一,其性能与功耗对整个数字信号处理器性能与功耗具有很大的影响。研究全定制设计优化实现高性能低功耗的算术逻辑部件具有广泛的应用价值和重要的现实意义。本文深入研究了ALU的结构和核心加法器原理,根据DSP的结构特点,提出并实现了一种适合于DSP的ALU,该ALU支持40位的运算同时也支持两个16位的运算。本文采用半定制设计优化和全定制设计优化相结合的方法,在算法、编码、逻辑实现结构、电路、版图等层次进行设计和优化,使ALU的性能大幅提升,功耗大幅度下降。在0.25μm CMOS工艺、典型条件下关键路径的延迟时间0.932ns,面积为0.1012mm~2,功耗2.13mw,达到了优化设计的目标。该ALU已经成功应于X数字信号处理器中。本文的研究成果包括以下几点:1、分析研究ALU的结构及其核心加法器的基础上设计了一种适合于DSP的ALU,对ALU采用了并行结构,使得ALU可以工作在双16位模式下。2、改进了ALU核心加法器在双精度模式下的进位方式,减少了ALU在双精度模式下关键路径的延迟。3、采用了ALU在休眠模式下,停止ALU时钟的门控时钟技术,进一步降低了ALU在休眠模式下的漏电流功耗,将该技术应用于算术逻辑单元的优化设计中,获得了较低的功耗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 数字信号处理概述
• 1.1.1 算法的研究
• 1.1.2 数字信号处理的实现
• 1.2 DSP芯片的发展现状
• 1.3 DSP技术的发展趋势
• 1.4 DSP的ALU国内外现状
• 1.5 课题来源、目的及意义
• 1.6 本文的结构
• 第二章 ALU及核心加法器
• 2.1 ALU结构
• 2.2 核心加法器的研究
• 2.2 各种加法器在设计中的综合考虑
• 2.3 核心加法器的进位链
• 2.4 本章小结
• 第三章 低功耗 ALU的设计
• 3.1 功耗的来源
• 3.2 低功耗设计和优化技术
• 3.3 在设计时间可采用的降低功耗技术
• 3.4 在运行时间采用的功耗降低技术
• 3.5 ALU所采用的低功耗设计技术
• 3.6 ALU版图低功耗设计技术
• 3.7 本章小结
• 第四章 X数字信号处理器ALU设计
• 4.1 X数字信号处理器 CPU结构概述
• 4.2 X数字信号处理器 ALU逻辑功能
• 4.2.1 单指令功能实现
• 4.2.2 指令组合功能实现
• 4.3 ALU控制信号的设计
• 4.4 X数字信号处理器 ALU进位理论
• 4.5 X数字信号处理器 ALU逻辑运算理论
• 4.6 关键路径及延迟分析
• 4.7 数据通路分析
• 4.8 控制通路分析
• 4.9 溢出处理
• 4.10 本章小结
• 第五章 ALU电路设计
• 5.1 ALU总体电路设计
• 5.2 ALU时钟电路设计
• 5.3 ALU数据通路电路设计
• 5.4 P、G函数生成电路设计
• 5.5 进位传播电路设计
• 5.5.1 低16位超前进位电路
• 5.5.2 组内并行进位电路设计
• 5.5.3 组间进位传播逻辑电路
• 5.6 双16位模式控制电路
• 5.9 逻辑功能验证
• 5.9.1 功能验证概述
• 5.9.2 ALU逻辑功能验证
• 5.9.3 ALU算术功能验证
• 5.10 本章小结
• 第六章 ALU版图设计与验证
• 6.1 布图规划
• 6.1.1 布图规划中延迟的度量
• 6.2 布局
• 6.2.1 布局的目标和任务及其度量
• 6.3 布线
• 6.3.1 全局布线
• 6.3.2 模块间的全局布线
• 6.3.3 详细布线
• 6.4 版图检查及验证
• 6.5 全局版图及单元版图设计
• 6.5.1 电源及时钟网络布线
• 6.6 单元版图设计
• 6.6.1 数据通路单元设计
• 6.6.2 P\G及逻辑运算单元
• 6.6.3 进位电路单元
• 6.6.4 低16位超前进位单元
• 6.6.5 时钟电路单元
• 6.6.6 ALU整体版图
• 6.7 ALU版图分析与验证
• 6.8 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 作者在学期间参与的科研项目
• 附录 算术运算程序