浮点运算单元的设计与实现

摘要

在计算机中，浮点数是一种类似于科学计数法格式的数，浮点运算是各种多媒体运算中的关键部分，浮点运算单元（FPU，Floating Point Unit）是现代处理器中决定性能的重要单元。本文围绕FPU系统，重点研究了FPU中乘加单元（MAF，Multiply-Add-Fused）的设计，深入分析了除法单元的设计，最后探讨了FPU的验证工作。
　　 论文首先介绍了浮点数的运算规范，该规范基于IEEE754浮点数运算标准。重新定义了标准中非规格化数的表示格式以便于非规格化数的处理，精简了标准中的舍入模式以简化舍入操作。
　　 详细讨论了FPU中浮点乘加单元的设计与实现，给出了一种支持非规格化数的全流水线结构双精度乘加单元结构。该乘加单元在数据通路中融入了非规格化数的并行处理，融合了主加法和舍入操作，解决了进位保存形式的乘法结果带来的一位误差，改进了规格化移位以便于流水线的划分。最后分析了该算法与传统算法的优劣，给出了本文乘加单元的DC（Design Complier）综合结果。
　　 研究了浮点除法单元的设计。简单介绍了该单元所采用的Goldschmidt算法，具体讨论了除法单元的电路实现，讨论了此单元中非规格化数的处理，最后给出了该单元的设计结果。
　　 论文最后探讨了FPU的验证工作，介绍了FPU的验证方法，并给出了FPU的验证结果。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的背景及来源

1.2 课题研究的内容及意义

1.3 FPU性能评价指标

1.4 论文结构安排

第二章 浮点运算规范概述

2.1 浮点数的数据格式

2.2 舍入模式

2.3 特殊数与异常操作

2.4 本章小结

第三章 乘加单元的设计

3.1 概述

3.2 乘加单元算法简介

3.2.1 传统的MAF算法

3.2.2 本设计采用的MAF算法

3.3 乘加单元详细设计

3.3.1 第一级流水线

3.3.2 第二级流水线

3.3.3 第三级流水线

3.4 设计结果

3.5 本章小结

第四章 除法单元的设计

4.1 概述

4.2 Goldschmidt算法原理

4.3 除法单元的电路实现

4.4 本章小结

第五章 系统仿真与验证

5.1 验证结构的设计

5.1.1 数据通路的验证

5.1.2 控制通路的验证

5.2 验证结果

5.3 本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢