基于Goldschmidt算法的高性能双精度浮点除法器设计

针对双精度浮点除法通常运算过程复杂、延时较大这一问题,提出一种基于Goldschmidt算法设计支持IEEE-754标准的高性能双精度浮点除法器方法。首先,分析Goldschmidt算法运算除法的过程以及迭代运算产生的误差;然后,提出了控制误差的方法;其次,采用了较节约面积的双查找表法确定迭代初值,迭代单元采用并行乘法器结构以提高迭代速度;最后,合理划分流水站,控制迭代过程使浮点除法可以流水执行,从而进一步提高除法器运算速率。实验结果表明,在40 nm工艺下,双精度浮点除法器采用14位迭代初值流水结构,其综合cell面积为84902.2618 μm²,运行频率可达2.2 GHz;相比采用8位迭代初值流水结构运算速度提高了32.73%,面积增加了5.05%;计算一条双精度浮点除法的延迟为12个时钟周期,流水执行时,单条除法平均延迟为3个时钟周期,与其他处理器中基于SRT算法实现的双精度浮点除法器相比,数据吞吐率提高了3~7倍;与其他处理器中基于Goldschmidt算法实现的双精度浮点除法器相比,数据吞吐率提高了2~3倍。     

高性能浮点除法和开方的设计与实现

在基于现场可编程门阵列（FPGA）的设计中,低延时、高吞吐量、小面积是3个主要考虑因素。针对以上因素,提出不同基数SRT浮点除法和开方算法,设计基于Virtex—IIproFPGA的可变位宽浮点除法和开方的3种实现方案,包括小面积的迭代实现、低延时的阵列实现和高吞吐量的流水实现。实验结果表明,对于浮点除法和开方算法的流水实现,在综合面积符合要求的基础上,实现频率最高分别可达到180MHz和200MHz以上,证明了该实现方案的有效I陛。     

嵌入式协处理器中除法和平方根计算的整合设计

在浮点处理元中串行实现除法和平方根计算虽然速度慢,但设计简单规则,占用资源少,有利于嵌入式的应用。结合嵌入式协处理器LSC87的研制,给出了串行实现除法和平方根计算的基4SRT算法,介绍了确定SRT选择常数过程中不确定区域的验证方法;给出了除法与平方根计算可共用的基4SRT查询表设计;同时讨论了迭代冗余结果向非冗余二进制的转换。本协处理器设计量大限度 地利用了通用数据路径来完成SRT算法的实现,节约了设计资源,并缩短了迭代时间。     

一种快速SIMD浮点乘加器的设计与实现

本文设计和实现了5级全流水SIMD浮点乘加器,支持双精度和双单精度浮点乘法、乘累加(减)操作,用Modelsim和NC Verilog测试和验证了RTL代码实现,基于65nm工艺采用Synopsys公司的Design Complier工具综合硬件实现,运行频率可达714.286MHz。结果表明,相比文献[3]中经典的低延迟乘加结构,在相同综合条件下性能提升了17.89%,面积增加了6.61%,功耗降低了25.08%。     

单双精度浮点除法器的实现

通过对除法算法的研究,采用三级流水并精选SRT的冗余区域,在不减少运算精度的条件下,简化硬件设计,用硬件描述语言(Verilog)实现了单精度和双精度浮点数除法运算模块,并使用随机测试矢量对除法器进行验证,结果与参考机比较误差不超过2-64.如果采用SMIC 0.18μm CMOS工艺库实现该设计,该除法单元在占用芯片面积为168173μm2的情况下工作频率可达约455MHz.     

处理器中的浮点除法和平方根运算算法

硬件设计中发展了许多除法运算算法,各算法在商收敛性速度、基本硬件单元和数学公式等许多方面均不相同。通过对现在较流行的浮点除法和平方根运算算法进行介绍,分析各浮点除法和平方根运算算法的思路和适合的不同场合,比较各自的优缺点。举例说明LSFT32处理器中浮点除法算法的选择。只有当算法的思路及其特点与运算器的结构相匹配时才能充分发挥速度和规模的优势,所选用的算法才是有意义的。     

快速浮点加法器的全定制设计

描述了一个流水线运行的、符合IEEE 75 4单精度浮点标准的加法器的全定制设计。该浮点加法器的设计基于SMIC 1 .8V 0 .1 8μm 1p6mCMOS工艺 ,将应用于高性能 32位CPU的浮点运算单元中。该设计在研究快速实现算法结构的基础上 ,采用全定制的电路及版图设计方法 ,提高了浮点加法器的工作速度 ,降低了芯片功耗 ,并通过减少芯片面积 ,有效降低芯片量产时的成本     

处理器中的浮点除法和平方根运算算法

硬件设计中发展了许多除法运算算法，各算法在商收敛性速度、基本硬件单元和数学公式等许多方面均不相同。通过对现在较流行的浮点除法和平方根运算算法进行介绍，分析各浮点除法和平方根运算算法的思路和适合的不同场合，比较各自的优缺点。举例说明LSFT32处理器中浮点除法算法的选择。只有当算法的思路及其特点与运算器的结构相匹配时才能充分发挥速度和规模的优势，所选用的算法才是有意义的。     

基于SIMD部件的四倍精度浮点乘加器设计

如何减少四倍精度浮点运算的硬件开销和延迟是需要解决的重要问题。为减少四倍精度乘加器的硬件开销,基于支持64位×4的双精度浮点SIMD FMA部件,设计并实现了一种新的四倍精度浮点乘加器(QPFMA),来支持4种浮点乘加运算和乘法、加减法、比较运算,运算延迟为7拍。通过将四倍精度113位×113位尾数乘法器分解为4个57位×57位乘法器来共享双精度浮点SIMD FMA部件的53位×53位乘法器,显著减少了实现QPFMA的硬件开销。基于65nm工艺的逻辑综合结果表明,该QPFMA频率可达1.1GHz,面积是常规QPFMA设计的42.71％,仅与一个双精度浮点乘加器相当。与现有的QPFMA设计相比,相当工艺和频率下,其运算延迟减少了3拍,门数减少了65.96％。     

M-DSP中高性能浮点乘加器的设计与实现

针对高性能M型数字信号处理器（M-DSP）对浮点运算的性能、面积和功耗要求,研究分析了M-DSP总体结构和浮点运算的指令特点,设计和实现了一种高性能低功耗的浮点乘累加器（FMAC）。该乘加器采用单、双精度通路分离的主体结构,分为六级流水站执行,对乘法器、对阶移位等关键模块进行了复用设计,支持双精度和单精度浮点乘法、乘累加、乘累减、单精度点积和复数运算。对所设计的乘加器进行了全面的验证,基于45nm工艺采用Synopsys公司的Design Compiler工具综合所设计的代码,综合结果表明运行频率可达1GHz,单元面积36856μm²;与FT-XDSP中的乘加器相比,面积节省了12.95%,关键路径长度减少了2.17%。     

一种低成本128位高精度浮点SIMD乘加单元的设计与实现

SIMD单元集成已经成为提高处理器性能的重要途径之一。虽然定点SIMD单元的硬件复用低成本设计技术已经较为成熟,但是,大部分浮点SIMD单元的硬件设计还停留在简单的硬件复制方法上。本文针对日益增长的128位高精度浮点操作的计算需求,提出了其相应的SIMD低成本硬件结构方案。综合实验结果表明,所提出的SIMD浮点乘加单元比传统128位高精度浮点乘加单元具有更加优化的性能与面积参数。     

单片微型计算机多字节浮点除法快速扫描运算的实现

在单片微型计算机浮点运算中,对高精度多字节的浮点数据一般采用的是标准边减边移位（试商）的方法,操作时间满足不了快速运算的需要,本文介绍了一种快速扫描的浮点除法方法。     

An area efficient multi-mode quadruple precision floating point adder

Most of the scientific and engineering applications require accurate computations. Double precision floating point computations are not enough for many applications like climate modelling, computational physics, etc. Efficient design of quadruple precision floating point adder is needed for these applications. The proposed multi-mode quadruple precision floating point adder architecture supports four single precision operations in parallel, as well as two double precision operations in parallel and also supports one quadruple precision operation. Compared to existing Quadruple precision floating point adders and Dual mode Quadruple precision floating point adder, the proposed architecture can perform more computations with less area because of resource sharing among different precision operands. The proposed Multi-mode quadruple precision adder supports both normal and subnormal operations and also the exceptional case handling such as infinity, Not a Number (NaN) and zero cases. The proposed adder has been designed and implemented in both ASIC and FPGA. During ASIC implementation with 90 nm technology using the synopsis tool, the proposed Multi-mode quadruple precision floating point adder has a 38.57% smaller area compared to the existing quadruple precision floating point adder. Similarly, the proposed design reduces the area by 29.28% and 35.68% when implemented on Virtex 4 and Virtex 5 FPGAs respectively.     

一种高性能四倍精度浮点乘加器的设计与实现

高精度、高性能浮点运算部件是高性能微处理器设计的重要部分。通过对传统双精度浮点乘加运算算法的研究,结合四倍精度浮点数据格式特点,设计并实现一种高性能的四倍精度浮点乘加器(QPFMA),该乘加器支持多种浮点运算,运算延迟为7拍,全流水结构。采用双路加法器改进算法结构,优化头零预测和规格化移位逻辑,减小运算延迟和硬件开销。通过参数化设计验证方法,实现高效的正确性验证。逻辑综合结果表明,基于65 nm工艺,该QPFMA频率可达1.2 GHz,比现有的QPFMA设计运算延迟减少3拍,频率提高约11.63%。     

基于FPGA的高精度频率计

为了满足硬件工程师对高精度和高带宽测频仪器的需求,设计一种基于FPGA的高精度频率计。频率计包括外围的电压跟随电路和串口通信电路以及FPGA上的分频器模块、频率计量模块和串口通信模块,并使用Altera公司的Cyclone Ⅳ芯片作为控制核心。首先待测信号经过电压跟随器的稳压和隔离,然后将稳压信号接入分频器模块,分频器模块会把频率信号以1 kHz为界限分为低频和高频信号,并对低频信号和高频信号分别采用周期测频法和脉冲计数法测频。测量的频率数据可实时通过串口上传至上位机。经过测试,频率计能够实现1 Hz的精度、200 MHz的测频带宽以及多通道检测。     

一种可调占空比型双模分频器设计及精度分析

介绍基于FPGA可编程单元设计的一种占空比在整数范围内可调、分频比最小单位为0.1的可控分频器的设计,并对该分频器的精度进行了分析,提出了一种能大幅度提高小数分频精度的改进型双模小数分频法——整数/半整数转换双模小数分频法。设计在通过仿真、综合、后仿真后,在Xilinx FPGA上实现。     

Parallelization and performance comparison of the conjugate gradient equation solver on multicore Cell and Xeon computers

Multicore accelerators are used today to supplement traditional superscalar processors in massively parallel computer nodes with extra floating‐point computation power. This paper presents our parallelization and performance enhancement and evaluation of the conjugate gradient (CG) linear equation solver with enhanced matrix multiplication on the Cell Broadband Engine accelerator. The paper also compares the CG performance results on the Cell and two CG implementations on a computer with two quadcore Xeon processors, one with OpenMP and the other with OpenMPI. We also report the enhancements made on the CG code and performance analysis of CG on single and dual Cell Broadband Engine packages with 8 and 16 synergistic processing elements and on Xeon for heptadiagonal matrices, in particular to matrix multiplication and synchronization. We also report the communication and computation time breakdowns and the floating point operations per second ratio. Our parallel CG solver is shown to scale well with data size, grid dimensionality, and number of cores. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于编译时插桩的浮点异常检测方法

浮点数是实数的有限精度编码,在进行浮点计算时,可能会导致不精确或者异常的结果,因此实现有效的浮点异常检测方法很重要。现有异常检测方法不面向浮点数学函数,由此提出了一种面向浮点数学函数的异常检测方法。该方法依据IEEE-754标准中定义的上溢出、下溢出、被零除、无效操作和不精确5类异常,并结合申威高性能数学函数库中使用的浮点控制寄存器FPCR和IEEE-754标准定义的浮点异常产生条件的相关理论,通过将异常类型和浮点运算指令进行对应分类,在程序编译时进行插桩以检测出浮点数学函数中出现的异常,同时记录代码覆盖率。最后将该方法应用于数学函数库,对库中100多个浮点数学函数进行了测试实验。实验结果表明,该浮点异常检测方法能够有效检测各类异常。