基于M-DSP的浮點(diǎn)乘累加器設(shè)計(jì)

　　數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor．DSP）從專用信號(hào)處理器開始發(fā)展到今天的超長(zhǎng)指令字（ Very Long　Instruction Word．VLIW）陣列處理器，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從最初的語(yǔ)音、聲納等低頻信號(hào)的處理發(fā)展到今天雷達(dá)、圖像等視頻大數(shù)據(jù)量的信號(hào)處理。由于浮點(diǎn)運(yùn)算和并行處理技術(shù)的應(yīng)用，信號(hào)處理能力已得到極大的提高。隨著數(shù)字信號(hào)處理器在處理速度和運(yùn)算精度兩個(gè)方向的發(fā)展，體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)甚至人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，將可能成為下一代數(shù)字信號(hào)處理器的基本結(jié)構(gòu)模式。近些年，從傳統(tǒng)DSP結(jié)構(gòu)中已不能有效地提高DSP處理器的性能，許多新的提高DSP性能的方法被提出。其中提高頻率的方法已達(dá)到瓶頸階段，最有效的途徑是提高并行性。數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的核心算法根據(jù)運(yùn)算類型可以分為兩大類：一類是以密集的浮點(diǎn)乘加運(yùn)算為典型的信號(hào)處理算法，包括快速傅里葉變換（ Fast Fourier　Transformation，F(xiàn)FT）、有限沖激響應(yīng)（ Finite Impulse　Response，F(xiàn)IR）和離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，　DFT）等算法；另一類足以密集的復(fù)數(shù)矩陣操作為主的算法，包括信道估計(jì)和多輸入多輸出（ Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）均衡等算法。這兩類算法均需要DSP處理器提供較高的浮點(diǎn)乘加運(yùn)算的計(jì)算性能。第一類算法主要是進(jìn)行乘加運(yùn)算（a*b+c），第二類算法主要進(jìn)行大量的復(fù)數(shù)矩陣乘和矩陣求逆等運(yùn)算，而在這些運(yùn)算中都存在密集的乘后加運(yùn)算（a*c+c*d）浮點(diǎn)乘累加器（Floating-point　Multiply ACcumulate．FMAC）已經(jīng)成為提高并行計(jì)算以減少計(jì)算延時(shí)的有效方法，其運(yùn)算能力已經(jīng)成為衡量數(shù)字信號(hào)處理器DSP性能的一個(gè)重要特征。

　　浮點(diǎn)乘加結(jié)構(gòu)已被研究多年，IBM學(xué)者M(jìn)ontoye和Hokenek于1990年最先提出了融合乘加的概念，即將乘法和加法融合成一條指令執(zhí)行，并將加法操作融合在乘法的部分積壓縮陣列中，從而減少硬件開銷和延時(shí)；這種乘加結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是求和尾數(shù)長(zhǎng)且結(jié)果尾數(shù)舍入延時(shí)長(zhǎng)。Lang等于2004年提出了低延時(shí)融合乘加結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)采用前導(dǎo)零預(yù)測(cè)（ Leading Zero Anticipation，LZA），將尾數(shù)舍入和加法合并，并在尾數(shù)加法之前進(jìn)行規(guī)格化移位。目前大多數(shù)處理器中的浮點(diǎn)乘加設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)均采用這種技術(shù)，為進(jìn)一步提高浮點(diǎn)融合乘加結(jié)構(gòu)的并行度以提升浮點(diǎn)乘加器的性能，Lang等于2005年設(shè)計(jì)了雙通路浮點(diǎn)融合乘加結(jié)構(gòu)，該乘加結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)是延時(shí)更低、處理性能得到進(jìn)一步提高；但該乘加結(jié)構(gòu)邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜，硬件資源消耗大。國(guó)防科技大學(xué)研制的vr-XDSP中設(shè)計(jì)了多功能快速浮點(diǎn)融合乘加運(yùn)算單元，但該設(shè)計(jì)硬件資源消耗太多，功耗過大。

　　本文基于高性能計(jì)算的應(yīng)用需求，以M型數(shù)字信號(hào)處理器（ M-DSP）為研究背景，深入研究FMAC的各功能模塊和流水線結(jié)構(gòu)，對(duì)已有浮點(diǎn)融合乘加結(jié)構(gòu)p1的關(guān)鍵模塊和算法進(jìn)行了研究與優(yōu)化，設(shè)計(jì)了6級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的FMAC單元，可支持雙精度和單精度浮點(diǎn)乘法、乘累加、乘累減、單精度點(diǎn)積和復(fù)數(shù)運(yùn)算。對(duì)所設(shè)計(jì)的FMAC單元的寄存器傳送語(yǔ)言（Register Transfer Language，RTL）代碼實(shí)現(xiàn)迸行了仿真測(cè)試，并基于45 nm工藝采用Synopsys公司的DC（ Design Compiler）對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了綜合，運(yùn)行頻率可達(dá)1 GHz。