高性能定點(diǎn)DSP位處理單元(BMU)設(shè)計(jì)

1 功能概述

位處理單元(Bit Manipulation unit，BMU)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。可以看出，BMU主要由取指電路、移位數(shù)據(jù)處理電路、移位選擇處理電路、桶形移位電路和輸出電路等幾部分組成。BMU的輸入數(shù)據(jù)是36位的BMUi，經(jīng)過(guò)處理后輸出36位的數(shù)據(jù)BMUo作為DSP的一次運(yùn)算結(jié)果。本文設(shè)計(jì)的BMU是36位的，主要功能包括邏輯/算術(shù)移位、取指、歸一化等，以下是對(duì)控制信號(hào)及相關(guān)功能較為詳細(xì)的描述。邏輯/算術(shù)左移 相應(yīng)的控制信號(hào)是in arithshf，inleftshf，in_shift。將36位數(shù)據(jù)左移，低位補(bǔ)0；邏輯右移 控制信號(hào)同上，他執(zhí)行的是低32位數(shù)據(jù)右移，同時(shí)高位補(bǔ)0；算術(shù)右移 控制信號(hào)如上，36位數(shù)據(jù)右移，高位由原最高位填充；取指 控制信號(hào)是in_exp，取36位數(shù)據(jù)的指數(shù)，也即冗余的符號(hào)位的個(gè)數(shù)；歸一化 控制信號(hào)是in_norm，將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，得到去除冗余符號(hào)位后的結(jié)果。指數(shù)提取的目的是進(jìn)行類似于定點(diǎn)到浮點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。一個(gè)定點(diǎn)數(shù)可以用一個(gè)包含尾數(shù)和指數(shù)的浮點(diǎn)數(shù)來(lái)表示，這樣可以提高數(shù)據(jù)的表示范圍，同時(shí)使得定點(diǎn)DSP具有某種浮點(diǎn)運(yùn)算的能力。取指的結(jié)果相當(dāng)于浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)，而歸一化的結(jié)果可以看成浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)。這使得定點(diǎn)DSP能在不增加浮點(diǎn)算法開銷的情況下獲得某些浮點(diǎn)DSP的能力。2 單元電路設(shè)計(jì)2.1 桶形移位器的設(shè)計(jì)移位和歸一化操作都需要用到桶形移位器，因此桶形移位器是BMU的核心單元。通常，桶形移位器可以實(shí)現(xiàn)邏輯左移、右移，算術(shù)左移、右移等，一般為了減少晶體管和連線的數(shù)目以節(jié)省面積，通常只實(shí)現(xiàn)左移或右移中的一種。本文中只采用左移操作來(lái)實(shí)現(xiàn)桶形移位。設(shè)36位移位數(shù)據(jù)為BMUi,36位移位選擇信號(hào)為shfsel，當(dāng)shfsel[i]為1時(shí)，桶形移位器的輸入數(shù)據(jù)(即經(jīng)過(guò)移位數(shù)據(jù)處理后得到的數(shù)據(jù))左移i位。下面是實(shí)現(xiàn)右移的原理：BMUi從高位到低位依次是BMUi[35]，BMUi[34]，…，BMUi[1]，BMUi[0]，BMUi重復(fù)排列兩次構(gòu)成72位數(shù)據(jù)BMUi[35]，BMUi[34]，…，BMUi[1]，BMUi[0]，BMUi[35]，BMUi[34]，…，BMUi[1]，BMUi[0]，將72位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)移位(左移)后的高36位作為桶形移位器的輸出。當(dāng)要求桶形移位器實(shí)現(xiàn)右移shfnum位時(shí)，只要將該72位數(shù)據(jù)左移(36-shfnum)位即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然在實(shí)現(xiàn)移位操作時(shí)，必須對(duì)72位數(shù)據(jù)的高36位(右移時(shí))或低36位(左移時(shí))進(jìn)行處理，這個(gè)處理過(guò)程在移位數(shù)據(jù)處理電路中將會(huì)介紹。同時(shí)由于36位的shfsel最多只能選擇左移35位(shfsel[35]=1時(shí))，所以72位桶形移位器的輸入數(shù)據(jù)的中間2位可以合并成1位，成為71位輸入數(shù)據(jù)(此時(shí)實(shí)現(xiàn)右移操作時(shí)應(yīng)該將71位數(shù)據(jù)左移35-shfnum位)。移位的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)移位開關(guān)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。移位網(wǎng)絡(luò)(以8位移位數(shù)據(jù)為例，則移位器的輸入數(shù)據(jù)需要處理成15位)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，他是一個(gè)NMOS傳輸管陣列，行數(shù)等于數(shù)據(jù)字長(zhǎng)，列數(shù)等于最大的移位數(shù)。這個(gè)移位器結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)信號(hào)至多只經(jīng)過(guò)一個(gè)傳輸管，移位的傳輸延時(shí)理論上是一個(gè)常數(shù)，并且與移位位數(shù)及移位器大小無(wú)關(guān)，同時(shí)結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，利于后端版圖實(shí)現(xiàn)。但是NMOS傳輸管在傳輸高電平時(shí)有一個(gè)閾值電壓損耗，降低了電路的噪聲容限，因此需要在輸出端增加電平提升電路。2.2 取指電路的設(shè)計(jì)指數(shù)(exp)指的是冗余符號(hào)位的個(gè)數(shù)，他對(duì)于二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)的歸一化是十分重要的，歸一化是將原二進(jìn)制補(bǔ)碼左移exp位(也就是將冗余的符號(hào)位移出)，例如對(duì)于二進(jìn)制補(bǔ)碼00001100，他冗余的符號(hào)位個(gè)數(shù)是3，所以exp=3，歸一化就是將00001100左移3位的過(guò)程，即變成01100000。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的BMU，符號(hào)位是BMui[31]，如果高5位不完全相同，則exp為負(fù)值。表1列舉了幾個(gè)數(shù)據(jù)的例子。指數(shù)的提取過(guò)程分成兩步：(1)找出從BMUi[34]到BMUi[0]第一個(gè)與BMUi[35]不同的位i。(2)對(duì)i進(jìn)行編碼，得到指數(shù)值。第一步可以通過(guò)BMUi[35]與BMUi[34-i](i=0，1，…，33，34)異或來(lái)實(shí)現(xiàn)，找出第一個(gè)與BMUi[35]相異的位。同時(shí)本級(jí)產(chǎn)生的移位選擇信號(hào)必須能夠屏蔽下一級(jí)的移位選擇信號(hào)信號(hào)。設(shè)BMUi[34-i]位與．BMUi[35]異或的結(jié)果記為XOR[i](i=0，1，2，…，33，34)，前一級(jí)產(chǎn)生的屏蔽信號(hào)為C[i-1]，這樣第i位(i=0，1，2，…，33，34)的移位選擇信號(hào)可以表示成XOR[i]和C[i-1]的函數(shù)，指數(shù)選擇信號(hào)的最高位exp sel[35]可以表示成C[34]的反信號(hào)，這表示如果前35位屏蔽信號(hào)都為0，則屏蔽信號(hào)C[34]無(wú)效，此時(shí)exp sel[35]=1；如果前35位已經(jīng)有一個(gè)為1，則說(shuō)明36位二進(jìn)制位中存在與BMUi[35]相異的位，此時(shí)屏蔽信號(hào)C[34]有效，exp-sel[35]被屏蔽。綜上所述，得到第i級(jí)的指數(shù)選擇信號(hào)exp-sel[i]和提供給下一級(jí)的屏蔽信號(hào)C[i]如下式所示，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。由圖3可以看出，屏蔽信號(hào)最多將會(huì)經(jīng)過(guò)30幾級(jí)傳輸門，是取指電路的關(guān)鍵路徑，經(jīng)過(guò)30幾級(jí)的傳輸門后，信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱，延時(shí)較大，不符合高性能DSP的要求?？梢钥紤]將這最長(zhǎng)路徑打斷，提高速度。類似與超前進(jìn)位加法器的進(jìn)位傳遞，將屏蔽信號(hào)鏈打斷，每4位提供一個(gè)超前屏蔽信號(hào)，用來(lái)屏蔽下一級(jí)的移位選擇信號(hào)，這樣隔斷了最長(zhǎng)路徑，提高了驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而提高取指電路的工作速度。指數(shù)選擇信號(hào)產(chǎn)生后，只要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的編碼就可以得到相關(guān)的指數(shù)值(二進(jìn)制補(bǔ)碼)，編碼表如表2所示。2.3 移位選擇處理移位選擇處理是根據(jù)移位數(shù)目shfnum和指數(shù)exp來(lái)產(chǎn)生移位選擇信號(hào)shfsel。移位選擇處理過(guò)程主要是根據(jù)輸入控制信號(hào)(in norm，in shift，in leftshf)以及移位數(shù)目shfnum和指數(shù)exp產(chǎn)生兩種信號(hào)：最終左移信號(hào)left和最終左移數(shù)目leftnum。經(jīng)過(guò)分析，left和leftnum都可以寫成輸入控制信號(hào)、指數(shù)exp和移位數(shù)目shfnum的邏輯表達(dá)式。進(jìn)一步分析表明，可以用6 b(因?yàn)樽罱K的移位選擇信號(hào)是36位，至少需用6位來(lái)表示)的加法器來(lái)產(chǎn)生leftnum。最終移位信號(hào)left以及加法器的被加數(shù)addA、加數(shù)addB和進(jìn)位c[i]的邏輯表達(dá)式(下式)。將leftnum進(jìn)行譯碼后就可以得到移位選擇信號(hào)shfsel。2.4 移位數(shù)據(jù)處理該處理過(guò)程主要是產(chǎn)生桶形移位器的71位輸入數(shù)據(jù)D[70:0]，將71位數(shù)據(jù)位分成兩部分，一部分叫原數(shù)據(jù)位(36位，放置經(jīng)過(guò)處理的輸入數(shù)據(jù))，另一部分叫擴(kuò)展數(shù)據(jù)位(35位，放置考慮了邏輯右移等的擴(kuò)展位)。由桶形移位器的原理可以知道，當(dāng)最終左移信號(hào)有效(即left=1)時(shí)，D[70：35]為原數(shù)據(jù)位，由原36位輸入數(shù)據(jù)填充，低35位D[34：0]為擴(kuò)展數(shù)據(jù)位，用0來(lái)填充。而當(dāng)最終左移信號(hào)無(wú)效(即left=0)時(shí)，此時(shí)需分兩種情況考慮：(1)如果是算術(shù)移位，則D[35：0]為原數(shù)據(jù)位，由原36位輸入數(shù)據(jù)填充，而D[70：36]是擴(kuò)展數(shù)據(jù)位，由符號(hào)位擴(kuò)展形成；(2)如果是邏輯移位，此時(shí)是將原36位數(shù)據(jù)的低32位右移，高位補(bǔ)0，鑒于此，需要將原36位數(shù)據(jù)的高4位清零后賦給原數(shù)據(jù)位D[35：0]，高35位(即D[70：36])由0擴(kuò)展形成。由上述分析，移位數(shù)據(jù)處理電路可以分成3部分設(shè)計(jì)：原36位輸入數(shù)據(jù)的高4位處理電路，擴(kuò)展數(shù)據(jù)位電路，數(shù)據(jù)選擇電路。分別設(shè)計(jì)這3部分電路如圖4所示。3 電路模擬電路模擬工作在Sun Fire V880 Solaris系統(tǒng)環(huán)境下完成，模擬采用CSMC.5單阱CMOS工藝模型，環(huán)境溫度25℃，工作電壓為5 V。電路模擬采用VCS+NanoSim混合仿真的方法進(jìn)行，由VerilogHDL提供激勵(lì)給BMU的網(wǎng)表。模擬結(jié)果如圖5所示：當(dāng)bmui=0x1478f73時(shí),exp=6，bmui=0x105fb31b4時(shí)，歸一化后bmuo=417ecc6d,當(dāng)bmui=0x603a09b12，shfnum=7左移時(shí)bmuo=ld04d8900。這表明BMU功能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)測(cè)得BMU的最大延時(shí)是8.78 ns，即極限工作頻率是114 MHz。NanoSim自動(dòng)生成的狀態(tài)記錄文檔指出本文設(shè)計(jì)的BMU共使用了4 527個(gè)晶體管。4 結(jié) 語(yǔ)本文設(shè)計(jì)了用于定點(diǎn)DSP的位處理單元電路，他有效地實(shí)現(xiàn)了邏輯/算術(shù)移位、取指、歸一化等操作，解決了利用定點(diǎn)DSP進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的問(wèn)題。該BMU包括桶形移位器、取指電路、移位數(shù)據(jù)處理電路和移位選擇處理電路等幾部分。在設(shè)汁取指電路時(shí)，借鑒超前進(jìn)位加法器中超前進(jìn)位的概念．采用了超前屏蔽，將最長(zhǎng)路徑打斷，提高了電路的工作速度。另外，該BMU僅包含4 527個(gè)晶體管，資源消耗較少，在5 V工作電壓下，電路速度達(dá)到114 MHz，完全符合高性能DSP的要求。