高性能浮點(diǎn)運(yùn)算單元設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著嵌入式系統(tǒng)中圖形處理、3D游戲等基于浮點(diǎn)的運(yùn)算密集應(yīng)用日益增多，高性能低功耗的浮點(diǎn)運(yùn)算單元將成為未來(lái)嵌入式處理器關(guān)鍵部件。本文圍繞浮點(diǎn)運(yùn)算單元的架構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究提升浮點(diǎn)運(yùn)算能力、減少硬件開(kāi)銷、降低動(dòng)態(tài)功耗等關(guān)鍵技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　 1、浮點(diǎn)SIMD指令集擴(kuò)展及其高效資源復(fù)用硬件框架。首先設(shè)計(jì)了面向并行處理應(yīng)用的的浮點(diǎn)SIMD指令集，并提出了一種采用資源復(fù)用的SIMD運(yùn)算單元設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)將執(zhí)行雙精度

2、指令的數(shù)據(jù)通路分割為相互獨(dú)立的兩路，僅通過(guò)增加少量控制邏輯，實(shí)現(xiàn)單精度SIMD運(yùn)算對(duì)雙精度指令數(shù)據(jù)通路的高路和低路的高效復(fù)用，以極小的硬件代價(jià)獲取浮點(diǎn)運(yùn)算性能的大幅提升。
　　 2、統(tǒng)一的浮點(diǎn)除法與開(kāi)方SRT算法。提出影響SRT算法性能和開(kāi)銷的主要參數(shù)的選擇方案?；谶吔缰倒阶儞Q和操作數(shù)預(yù)處理的方法，實(shí)現(xiàn)了除法和開(kāi)方SRT選擇函數(shù)的統(tǒng)一。提出一種基于常量比較和譯碼的選擇函數(shù)設(shè)計(jì)方法，解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)資源占用大、電路延時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題。基

3、于在線轉(zhuǎn)換的商和平方根的累加方法，將累加過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的移位操作和邏輯或操作?；陬A(yù)測(cè)的運(yùn)算加速機(jī)制，利用浮點(diǎn)運(yùn)算特征預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)SRT算法迭代次數(shù)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算加速。
　　 3、針對(duì)浮點(diǎn)加法和除法/開(kāi)方運(yùn)算的快速舍入方法。在浮點(diǎn)加法結(jié)果舍入邏輯中將尾數(shù)取補(bǔ)碼過(guò)程和舍入加法過(guò)程合并，僅用一個(gè)加法器就實(shí)現(xiàn)了取補(bǔ)碼和舍入的過(guò)程，解決舍入延時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題?；谠诰€轉(zhuǎn)換的SRT除法與開(kāi)方舍入機(jī)制，利用SRT算法迭代的計(jì)算

4、過(guò)程直接得到舍入加1和減1的值供舍入判斷邏輯選擇，解決了關(guān)鍵路徑問(wèn)題。
　　 4、基于浮點(diǎn)運(yùn)算特征的細(xì)粒度門控時(shí)鐘優(yōu)化技術(shù)。基于不同運(yùn)算精度的門控時(shí)鐘技術(shù)，在浮點(diǎn)單精度運(yùn)算時(shí)徹底關(guān)閉空閑的低位數(shù)據(jù)以降低功耗?；诋惓ｎA(yù)測(cè)的門控時(shí)鐘技術(shù)，通過(guò)預(yù)測(cè)當(dāng)前指令發(fā)生異常的情況，在預(yù)測(cè)到異常發(fā)生時(shí)關(guān)閉整個(gè)數(shù)據(jù)通路的時(shí)鐘，消除冗余動(dòng)態(tài)功耗?；谶\(yùn)算結(jié)果預(yù)測(cè)的門控時(shí)鐘技術(shù)，操作數(shù)為零或者無(wú)窮時(shí)根據(jù)指令類型預(yù)測(cè)運(yùn)算結(jié)果，并關(guān)閉相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路的時(shí)鐘