高性能浮点运算单元设计研究

摘要

随着嵌入式系统中图形处理、3D游戏等基于浮点的运算密集应用日益增多，高性能低功耗的浮点运算单元将成为未来嵌入式处理器关键部件。本文围绕浮点运算单元的架构设计，重点研究提升浮点运算能力、减少硬件开销、降低动态功耗等关键技术，主要研究内容和创新点包括：
　　 1、浮点SIMD指令集扩展及其高效资源复用硬件框架。首先设计了面向并行处理应用的的浮点SIMD指令集，并提出了一种采用资源复用的SIMD运算单元设计方法。该方法通过将执行双精度指令的数据通路分割为相互独立的两路，仅通过增加少量控制逻辑，实现单精度SIMD运算对双精度指令数据通路的高路和低路的高效复用，以极小的硬件代价获取浮点运算性能的大幅提升。
　　 2、统一的浮点除法与开方SRT算法。提出影响SRT算法性能和开销的主要参数的选择方案。基于边界值公式变换和操作数预处理的方法，实现了除法和开方SRT选择函数的统一。提出一种基于常量比较和译码的选择函数设计方法，解决传统设计资源占用大、电路延时长的问题。基于在线转换的商和平方根的累加方法，将累加过程转变为简单的移位操作和逻辑或操作。基于预测的运算加速机制，利用浮点运算特征预测计算结果，根据预测结果对SRT算法迭代次数进行控制以实现运算加速。
　　 3、针对浮点加法和除法/开方运算的快速舍入方法。在浮点加法结果舍入逻辑中将尾数取补码过程和舍入加法过程合并，仅用一个加法器就实现了取补码和舍入的过程，解决舍入延时长的问题。基于在线转换的SRT除法与开方舍入机制，利用SRT算法迭代的计算过程直接得到舍入加1和减1的值供舍入判断逻辑选择，解决了关键路径问题。
　　 4、基于浮点运算特征的细粒度门控时钟优化技术。基于不同运算精度的门控时钟技术，在浮点单精度运算时彻底关闭空闲的低位数据以降低功耗。基于异常预测的门控时钟技术，通过预测当前指令发生异常的情况，在预测到异常发生时关闭整个数据通路的时钟，消除冗余动态功耗。基于运算结果预测的门控时钟技术，操作数为零或者无穷时根据指令类型预测运算结果，并关闭相应的数据通路的时钟以减少动态功耗。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

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致谢

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2浮点运算单元的发展与研究现状

1.2.1 Intel 8087浮点协处理器

1.2.2 SUN OpenSPARC T1处理器浮点运算单元

1.2.3 IBM POWER6处理器浮点运算单元

1.2.4 ARM VFP浮点协处理器

1.3论文的研究基础

1.4论文研究内容和组织结构

第2章 浮点SIMD指令设计研究

2.1浮点SIMD指令相关研究

2.2浮点SIMD指令集及寄存器堆设计

2.3资源复用的浮点SIMD指令执行单元

2.3.1浮点加法SIMD运算的资源复用

2.3.2浮点乘法SIMD运算的资源复用

2.4本章小结

第3章 浮点除法与开方SRT算法研究

3.1传统除法与开方算法回顾

3.1.1基于乘法操作的除法与开方算法

3.1.2基于减法操作的除法与开方算法

3.2统一的除法与开方SRT算法设计

3.2.1基数的选择

3.2.2商/平方根数字集的选择

3.2.3统一的选择函数设计

3.3面向SRT算法硬件实现的优化研究

3.3.1改进的数字选择逻辑

3.3.2商和平方根的在线转换

3.3.3基于预测的运算加速机制

3.4本章小结

第4章 浮点运算舍入机制设计研究

4.1基于补码的浮点加法舍入方法

4.2 SRT除法与开方的在线舍入机制

4.3本章小结

第5章 基于浮点运算特征的低功耗技术研究

5.1低功耗技术相关研究回顾

5.2基于浮点运算精度的门控时钟技术

5.3基于异常预测的门控时钟技术

5.4基于运算结果预测的门控时钟技术

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1论文研究工作总结

6.2今后工作的展望

参考文献

攻读学位期间申请/授权的发明专利