低功耗DSP专用乘加部件的全定制设计与实现

论文摘要

乘加部件（Multiply-Add-Fused）是微处理器中的核心运算部件之一,它的速度与功耗对整个微处理器性能具有很大的影响。研究低功耗全定制乘加部件具有广泛的应用价值和重要的现实意义。本文对X-DSP处理器中的乘加部件进行了研究和设计。通过对逻辑实现结构、电路、版图等层次进行设计,采用全定制的方法使乘加部件的性能得到提升。在0.25μm CMOS工艺下,乘法部件的最高工作频率可以达到100MHz,关键路径延时为3.558ns,面积为0.248mm2,平均功耗为4.15mW,达到了X-DSP处理器要求的设计目标。该乘加部件已经成功应用于X-DSP处理器中。本文的研究成果包括以下几点:1.采用全定制方法实现了一款适合于低功耗X-DSP的17×17位乘加部件。该乘加部件采用低功耗的3-2压缩器标准单元、Booth-2编码和Wallace树的结构。2.采用门控时钟技术在仅进行A×B操作时关闭了+C数据通路,降低了乘加部件的漏电流功耗。同时本文改进了总线数据输入寄存器的开关电路,把数据输入模块中的4管传输门开关改进为3管传输门开关。在使用较少晶体管的情况下,仍保证可传输强“1”和强“0”信号,有效的降低了乘加部件的功耗。3.本文在版图设计上采用了一些平衡对称的设计方法使功耗得到有效降低。在设计最后一级加法器的进位链时,没有采用常规做法,而是采用减少特定的N管和P管的方法,在保证功能正确的同时尽可能地使版图规整,有效地减少了版图的面积,降低了器件的功耗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 DSP处理器中乘法器的发展
• 1.3 国内外相关研究
• 1.3.1 乘法器/乘加部件研究的最新进展
• 1.3.2 低功耗技术在DSP处理器上的最新进展
• 1.4 全定制的流程
• 1.5 课题主要工作
• 1.6 论文的组织
• 第二章 乘加部件的总体结构设计
• 2.1 乘加部件的整体结构
• 2.2 X-DSP中数据的表示方法
• 2.3 X-DSP中乘法运算的算法
• 2.3.1 X-DSP中小数乘法运算的算法
• 2.3.2 X-DSP中浮点乘法运算的算法
• 2.3.3 饱和情况处理
• 2.4 乘加部件支持的具体指令
• 2.5 总体结构层次上的低功耗考虑
• 2.6 本章小结
• 第三章 乘加部件的逻辑与电路设计
• 3.1 Booth-2编码器的设计
• 3.1.1 Booth编码的基本原理
• 3.1.2 Booth-2编码器的具体逻辑实现
• 3.2 符号扩展的设计
• 3.2.1 无符号数乘法的符号扩展
• 3.2.2 圆点阵列化简
• 3.2.3 有符号数乘法
• 3.2.4 本文乘加部件的具体符号扩展
• 3.3 部分积压缩的设计
• 3.3.1 华莱士树的具体设计
• 3.3.2 CSA模块的电路设计
• 3.4 超前进位链的设计
• 3.5 指数编码器的设计
• 3.6 饱和情况的处理
• 3.7 逻辑和电路层次低功耗的考虑
• 3.7.1 低功耗数据输入寄存器的优化设计
• 3.7.2 低功耗时钟控制开关的优化设计
• 3.7.3 待机模式下的低功耗优化
• 3.8 本章小结
• 第四章 乘加部件的逻辑功能验证
• 4.1 逻辑功能验证概述
• 4.2 测试平台的搭建
• 4.3 乘加部件逻辑功能的具体验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 乘加部件的全定制版图设计
• 5.1 乘加部件版图设计流程
• 5.2 版图布局规划与布线
• 5.3 基本单元版图的设计
• 5.5 版图层次低功耗的考虑
• 5.6 本章小结
• 第六章 乘加部件的版图检查与验证
• 6.1 版图的检查
• 6.2 版图的验证
• 6.3 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 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