基于FPGA實(shí)現(xiàn)的自定義浮點(diǎn)數(shù)

1. 概述

基于FPGA實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)的首要前提是理解并掌握數(shù)字的表示方法，計(jì)算機(jī)中的數(shù)字表示方法有兩種：定點(diǎn)數(shù)表示法和浮點(diǎn)數(shù)表示方法。其中，對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)盡管當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是基于IEEE 754所設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)數(shù)表示方法，Xilinx（忘記Altera中是否有對(duì)應(yīng)的IP核）的IP核中也提供了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，但其表示方法缺乏FPGA設(shè)計(jì)應(yīng)有的靈活性，而且資源消耗相對(duì)嚴(yán)重，因此可以根據(jù)應(yīng)用的需要，設(shè)計(jì)好基于FPGA實(shí)現(xiàn)的自定義浮點(diǎn)數(shù)。

2. 定點(diǎn)數(shù)表示

定點(diǎn)數(shù)大類上可分為有符號(hào)數(shù)和無符號(hào)數(shù)，需要清楚的是，無論是計(jì)算機(jī)還是FPGA，其底層并沒有無符號(hào)數(shù)、有符號(hào)數(shù)的概念，底層只是一大串二進(jìn)制數(shù)據(jù)在進(jìn)行運(yùn)算（在底層就是一大堆寄存器處于開關(guān)的工作狀態(tài)中）。定點(diǎn)數(shù)的第一印象容易給人產(chǎn)生是用來表示整數(shù)的印象，然而無論是整數(shù)還是小數(shù)都可以采用定點(diǎn)數(shù)來表示，同理整數(shù)和小數(shù)的概念也是人為規(guī)定上去的，F(xiàn)PGA本身不會(huì)理解那一大串二進(jìn)制數(shù)是表示整數(shù)還是小數(shù)，具體的運(yùn)算法則由編程人員規(guī)定好。

1.1 Qm.n的表示方法

本文采用最廣泛使用的補(bǔ)碼表示形式（默認(rèn)都懂其他的原碼表示和反碼表示形式），對(duì)應(yīng)的用來表示有符號(hào)數(shù)。人為定義小數(shù)點(diǎn)的位置。

采用Qm.n量化表示定點(diǎn)數(shù)，其中m用來表示小數(shù)點(diǎn)前的位寬，包括一位符號(hào)位和m-1位整數(shù)位，n表示小數(shù)位寬。如16位有符號(hào)整數(shù)可以表示成Q16.0,用來表示小于1的小數(shù)則可以表示成Q1.15。對(duì)于Qm.n的表示格式，其范圍表示如下：

例如，1110整數(shù)則表示為Q4.0:（-2^4 + 2^3 + 2^2 +0）/2^0= -2，1110有兩位小數(shù)則表示為Q2.2：（-2^4+2^3+2^1+0）/2^2 = -0.5。下表對(duì)應(yīng)表示16位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的數(shù)的范圍。

1.1 浮點(diǎn)數(shù)的定點(diǎn)化

浮點(diǎn)數(shù)的定點(diǎn)化涉及到量化方法。量化的過程可以表示為：

量化方法主要有兩種：尾部截?cái)嗌釛壏ê臀膊克纳嵛迦敕ā?/p>

對(duì)于尾部截?cái)嗌釛壏?，顧名思義則是丟棄掉尾部不能表示的部分。假設(shè)將浮點(diǎn)數(shù)表示成8位Q3.5的定點(diǎn)數(shù)，則表示過程如下（對(duì)3.2和-3.2進(jìn)行定點(diǎn)化）：

[3.2] = floor(3.2*2^5) = floor(102.4) = 102 = 01100110

[-3.2] = floor(-3.2*2^5) = floor(-102.4) = -103 = 10011001

采用MATLAB可以做如下實(shí)現(xiàn)：

dec2bin(floor(3.2*2^5), 8) = 01100110

dec2bin(2^8+floor(-3.2*2^5), 8) = 10011001

對(duì)于四舍五入法，則對(duì)應(yīng)的過程表示如下：

[3.2] = round(3.2*2^5) = round(102.4) =102 = 01100110

[-3.2]=round(-3.2*2^5) = round(-102.4)= -102 = 10011010

采用MATLAB可以做如下實(shí)現(xiàn)：

dec2bin(round(3.2*2^5), 8) = 01100110

dec2bin(2^8+round(-3.2*2^5), 8) = 10011010

由于采用四舍五入方法還需要進(jìn)行尾部數(shù)據(jù)的判斷，因此通常使用中，如無特別需求，多采用尾部截?cái)嗌釛壏ā?/p>

3. 浮點(diǎn)數(shù)表示

在FPGA運(yùn)算中，浮點(diǎn)數(shù)無論是表示方法、資源占用還是運(yùn)算法則都比定點(diǎn)數(shù)復(fù)雜得多。但另一方面，基于FGPA 的實(shí)現(xiàn)的算法性能嚴(yán)重依賴于算法的數(shù)值精度表示，很多時(shí)候在信號(hào)處理中，數(shù)值的動(dòng)態(tài)范圍過大，采用一般的定點(diǎn)算法往往無法滿足這樣大的動(dòng)態(tài)范圍，而且定點(diǎn)算法經(jīng)過精打細(xì)算之后，算法的小數(shù)位和整數(shù)位是固定的，表示的范圍同樣是固定的，無法在作調(diào)節(jié)，后續(xù)一旦有所修改，整個(gè)算法實(shí)現(xiàn)過程需要重新進(jìn)行計(jì)算仿真設(shè)計(jì)，這樣的后期維護(hù)成本太高，簡(jiǎn)直是牽一發(fā)而動(dòng)全身。對(duì)于cpu處理器來說，浮點(diǎn)格式基本上會(huì)采用IEEE 754制定的標(biāo)準(zhǔn)單精度或雙精度格式。而對(duì)于FPGA來說，由于其強(qiáng)大的靈活性，雖然也是按照IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)表示，但是卻可以對(duì)尾數(shù)和指數(shù)的位寬作修改。

IEEE 754定制的浮點(diǎn)格式在存儲(chǔ)方面有著很完美的形式，可以最大限度表示數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，減少存儲(chǔ)資源，但是實(shí)際參與運(yùn)算時(shí)并沒那么直接，需要經(jīng)過相應(yīng)的換算。因此可利用FPGA的靈活性，自定義浮點(diǎn)數(shù)格式。

3.1 自定義浮點(diǎn)格式表示

不像根據(jù)IEEE 754[45] 標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)計(jì)的32-bit和64-bit標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式，本論文的自定義浮點(diǎn)由位寬可配置的指數(shù)（Exponent）和尾數(shù)（Mantissa）兩部分組成。指數(shù)和尾數(shù)部分都是有符號(hào)定點(diǎn)數(shù)。作為一個(gè)例子，我們采用標(biāo)準(zhǔn)雙精度浮點(diǎn)格式和自定義浮點(diǎn)格式之間進(jìn)行對(duì)比。標(biāo)準(zhǔn)雙精度浮點(diǎn)數(shù)可以表示如下等式：

其中1.f表示52-bit尾數(shù)；Exp?表示存儲(chǔ)起來的指數(shù)值；bias?表示偏置，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)雙精度浮點(diǎn)，改值為1023；Exp-bias?表示實(shí)際的指數(shù)值。標(biāo)準(zhǔn)格式表示如圖(a) 所示。然而，對(duì)于自定義浮點(diǎn)格式表示的數(shù)的實(shí)際值如下：

其中，Man?表示的尾數(shù)是52-bit有符號(hào)定點(diǎn)數(shù)，表示的實(shí)際值為0.1b49b48...b2b1b0 或者1.0b49b48...b2b1b0。而Exp?表示實(shí)際指數(shù)值。具體格式表示如圖(b)所示。

自定義浮點(diǎn)算法的其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是指數(shù)部分和尾數(shù)部分的位寬都是可配置的，設(shè)計(jì)者可以在算法精度要求和資源消耗方面進(jìn)行權(quán)衡。而現(xiàn)存的由XILINX 提供的浮點(diǎn)運(yùn)算IP 核是基于IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)的，在每一次四則運(yùn)算之后（如加法或乘法之后）都會(huì)進(jìn)行一個(gè)格式化運(yùn)算。而格式化運(yùn)算占比的硬件資源消耗很大。無疑，如果存在多次連續(xù)加法運(yùn)算或者乘加運(yùn)算，這樣的運(yùn)算方式是資源消耗嚴(yán)重的。而本文所提出的自定義浮點(diǎn)算法則是整合的乘加運(yùn)算和連續(xù)加法運(yùn)算，盡量減少格式化操作，從而減少資源消耗。

1.1 定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)自定義浮點(diǎn)格式

相比較于標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式的轉(zhuǎn)換，定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)成上文描述的自定義浮點(diǎn)格式相對(duì)來說簡(jiǎn)單許多，只需要經(jīng)過簡(jiǎn)單的規(guī)格化，假設(shè)定點(diǎn)數(shù)為Qm.n，將其轉(zhuǎn)換為指數(shù)位寬為E，尾數(shù)位寬為M，其過程可以描述如下：

輸入：定點(diǎn)數(shù)Qm.n，則初始指數(shù)值為m，尾數(shù)Q1.(m+n-1)；

規(guī)格化：計(jì)算符號(hào)位個(gè)數(shù)，假設(shè)計(jì)算得符號(hào)位個(gè)數(shù)為k；

輸出：指數(shù)輸出值為m-k，尾數(shù)從m+n-k作為最高位開始截位，截取M位，如果不夠長(zhǎng)，則從最低位開始補(bǔ)零，補(bǔ)足到M位長(zhǎng)度輸出。

這里唯一需要再次說明的是，如何計(jì)算符號(hào)位的個(gè)數(shù)，最簡(jiǎn)單的方法就是采用一個(gè)for循環(huán)，for循環(huán)里邊使用一個(gè)計(jì)數(shù)器（初始值為1）和比較判斷器，從次高位開始與最高位做比較，如果相同（同為1或者同為0），則計(jì)數(shù)器加1，以此類推下去。這里使用MATLAB，按照比特級(jí)別仿真，打包成一個(gè)函數(shù)，如下：

?

function k = dupSign_cal(u)% ?u: 定點(diǎn)數(shù)輸入
% k：計(jì)算符號(hào)位個(gè)數(shù)
bit_len = get(u, 'WordLenght');
SignBit = bitget(u, bit_len);
count = 1;
for i = bit_len-1:-1:1
 if bitget(u, i) == SignBit 
 ? count = count+1;
 else
 ? break;
 end
end

?

當(dāng)然，無論是verilog里邊的for循環(huán)還是vhdl里邊的for循環(huán)，并非軟件中for的概念意義，實(shí)際上FPGA綜合時(shí)會(huì)將for循環(huán)全部展開，因此這里如果定點(diǎn)數(shù)太長(zhǎng)，則for循環(huán)不但消耗的資源多，而且非常容易造成時(shí)序不過關(guān)（想想在規(guī)定的一個(gè)或兩個(gè)時(shí)鐘里邊完成幾十比特一比特一比特的比對(duì)）。因此如果定點(diǎn)位寬太長(zhǎng)，則應(yīng)該想更多的辦法來完成該過程，F(xiàn)PGA節(jié)省時(shí)間的方法無外乎增加資源，一個(gè)for循環(huán)不行，并行多個(gè)for循環(huán)嘛?！　?/p>