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高性能64位并行乘法器的VLSI结构研究和实现

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目录

文摘

英文文摘

第一章引言

1.1.研究意义

1.2.研究背景和现状

1.2.1.高性能处理器中乘法器的应用现状

1.2.2.国外乘法器研究现状

1.2.3.国内乘法器研究现状

1.3.本文内容及章节安排

第二章乘法器算法和理论

2.1.乘法器原理

2.1.1.迭代乘法器

2.1.2.线性阵列乘法器

2.1.3.并行乘法器

2.1.4.乘法一般的实现步骤

2.2.乘法器编码算法

2.2.1.点图

2.2.2.Booth编码

2.2.3.Booth 2编码

2.2.4.Booth 3编码

2.2.5.冗余Booth 3编码

2.2.6.冗余项与补偿常数合并和小加法器位宽的选择

2.2.7.高阶Booth算法

2.2.8.符号位处理和有符号乘法

2.2.9.关于编码算法的其它问题

2.2.10.Booth编码算法小结

2.3.乘法器拓扑结构

2.3.1.规整拓扑结构

2.3.2.树型拓扑结构

2.3.3.非规整拓扑结构

2.3.4.拓扑结构小结

2.4.高性能加法器理论

2.4.1.记忆方法

2.4.2.全加器

2.4.3.行波进位加法器

2.4.4.进位选择加法器

2.4.5.超前进位加法器

2.4.6.并行前缀加法器

2.4.7.加法器的小结

2.5.流水线乘法器

2.6.小结

第三章高性能并行乘法器VLSI结构

3.1.CMOS逻辑结构

3.1.1.静态CMOS逻辑

3.1.2.传输管逻辑

3.1.3.其它逻辑结构

3.1.4.不同逻辑结构实现一位全加器的比较

3.2.高性能乘法器VLSI实现方法

3.2.1.部分积产生电路

3.2.2.4∶2压缩单元

3.2.3.高速加法器

3.3.小结

第四章高性能乘法器的设计

4.1.设计方法

4.2.工艺和模拟条件

4.3.晶体管级电路的研究

4.3.1.反向器的宽度比

4.3.2.多路选择器的研究

4.3.3.传输门的输入电容和输入电阻

4.4.部分积产生部分的设计

4.4.1.改进的Booth解码和部分积产生电路

4.4.2.非对称驱动和压缩提前

4.4.3.符号位处理

4.5.树型压缩部分的设计

4.5.1.树型压缩电路

4.5.2.4:2压缩单元电路

4.5.3.版图实现

4.6.高性能加法器的设计

4.6.1.基于进位选择的进位信号产生和传播电路

4.6.2.分段加法器

4.6.3.超前进位电路

4.6.4.终和选择电路

4.7.流水线的设计

4.8.小结

第五章验证策略和实现结果

5.1.验证策略

5.2.前仿真结果

5.2.1.Booth解码和部分积选择电路的实现结果

5.2.2.树型压缩的实现结果

5.2.3.分段高速加法器的实现结果

5.3.后仿真结果

5.4.性能比较

第六章总结和展望展望

参考文献

在学研究成果

后记

论文独创性声明及论文使用授权声明

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摘要

高性能数字乘法器是现代中央处理器和数字信号处理器中的重要部件,是完成高性能实时数字信号处理和图像处理的关键所在.过去的十年中,研究者扩展了Booth编码算法的空间,以传输管逻辑、多路选择器和动态技术为基础的各种电路实现方法持续刷新着高性能乘法器的实现记录.与此同时,与物理实现紧密相关的乘法器拓扑结构的研究也硕果累累.但不断提高的高性能运算需求使得高性能乘法器的设计和实现仍然是当前的热门话题.该文在全面研究乘法器Booth编码算法,乘法器部分积压缩拓扑结构和高速求和等数字乘法器算法的基础上,分析比较了数字乘法器各部分CMOS超大规模集成电路的实现方法,并实现了一个高性能的64位并行乘法器,基于特征向量和大量随机测试的验证方法保证了设计的逻辑正确.该文主要贡献包括:(1)基于中芯国际0.18μm 1.8V数字CMOS工艺,和传输门逻辑双轨多路选择器,以定制技术设计和实现了一个高性能的64位并行乘法器.其晶体管数为119520个,版图面积1.02×1.02mm<'2>,版图实现后仿真结果显示该文实现的乘法器延时为2.82ns.(2)提出了一种新的Booth解码算法和部分积选择方法.该方法基于符号选择技术,将Booth解码和部分积选择并行起来,同时获得了符号选择技术带来的硬件资源的节省和并行技术的高速度.与具有代表性的Inoue的乘法器相比,该文提出的方法关键路径晶体管延时降低25﹪;与最近的Cho的乘法器相比,能节省33﹪的硬件资源.(3)提出了非对称驱动技术和压缩提前技术,并用于64位乘法器的设计,节省了一级树型压缩的时间;(4)基于进位选择前缀加法器技术,设计和实现了一种分段高速加法器,为最后一级127位加法节省低29位的进位传播时间;(5)提出了补偿常数和冗余项合并技术,进一步减少了冗余Booth 3部分积数量.该文还全面分析了小加法器对部分积数量的影响和冗余Booth 3性能.

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