16位MCU的乘法、内积指令实现

摘要

随着MCU功能的集成化的发展，其应用领域也逐渐由传统的控制，扩展到控制处理、数据处理和数字信号处理等领域。G201是一颗高性能的16位MCU，它不仅提供常用的如加法、减法、逻辑运算等操作，还支持乘法和内积指令。乘法运算是数字信号处理中最常用的运算，内积指令可实现有限脉冲响应(FIR)滤波器的运算，配合其它指令集和AD、DA等CPU外部模块，使得G201具有快速处理数字信号处理的能力。G201适合用于需要数字语音处理的领域。本论文从乘法算法的研究开始，分析了G201的乘法、内积指令的实现方法。 内积运算可以分解成乘法和加法，因此乘法算法是实现G201实现乘法指令、内积指令的基础，文章对一位移位相加整数乘法、布思乘法、阵列乘法三种乘法算法作了分析和比较，认为基4布思算法在硬件规模、运算速度方面都有优势，同时又可以充分利用CPU已有的硬件资源，因此G201采用基4布思算法实现乘法、内积指令。文章对G201的CPU结构作了简单介绍，在此基础上，分析讨论了采用基4布思算法的乘法、内积指令的实现方法和指令执行过程，利用CPU内部的算术逻辑单元作为运算部件，通过指令译码电路控制整个CPU，完成乘法、内积指令。设计完成的乘法指令仅用12个时钟就完成乘法运算，内积指令的运算时间是10n+8个时钟周期。最后通过验证，保证电路功能和时序的正确。

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第1章绪论

1.1 MCU和DSP特点

1.2本论文主要研究工作

第2章乘法器原理

2.1一位移位相加整数乘法

2.1.1无符号位一位乘法

2.1.2符号位一位乘法

2.2布思算法

2.2.1基2布思算法

2.2.2基4布思算法

2.3阵列乘法器

2.3.1移位加算法

2.3.2 Pezzrise算法

2.3.3 Baugh-Woley算法

2.4小结

第3章CPU结构

3.1 CPU核的结构

3.1.1算术逻辑单元ALU

3.1.2时序产生电路

3.1.3状态寄存器

3.1.4内部寄存器组

3.1.5移位寄存器

3.1.6中断控制器

3.1.7指令译码

3.2指令系统

3.3小结

第4章乘法内积指令

4.1乘法器硬件结构

4.2乘法指令

4.3内积指令

4.4乘法电路设计

4.4小结

第5章优化和验证

5.1功能验证

5.2物理验证

5.3测试方案

5.4小结

结束语

致谢

参考文献

附录

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