引 言
1946年，第一臺電子計算機的誕生開創(chuàng)了計算機發(fā)展的新紀元。隨著計算機科學技術的迅速發(fā)展，計算機的應用領域越來越廣泛，并逐漸形成科學發(fā)展中的一個新的分支。在計算機的主要工作中，處理大量的數據是其一項基本功能；因而數據運算是必不可少的。于是人們設法在硬件設計與數據結構方面努力進行工作［1］，使計算機的速度不斷提高。
十幾年前，單片微型機脫穎而出，逐漸應用于微型計算機的各個領域，它不僅適用于一般的自動控 制，而且還可以承擔高精度的數據處理工作。誠然，在許多系統(tǒng)中近來采用DSP來提高微機的數據處理能力，以便完成復雜的圖像處理、音頻處理、網絡通訊等功能，而且是一個趨勢；但在這些系統(tǒng)中仍不可忽視運算程序的執(zhí)行速度，因為好的算法可以大大提高程序的執(zhí)行效率［2］。同時，考慮到目前8BITMCU的主導地位及某些系統(tǒng)不適合配置DSP來進行數據處理［3］。因此，這里仍有必要對高精度高速度的浮點多字節(jié)運算進行進一步研究。
1 浮點多字節(jié)標準乘法
普通的計算機都采用標準的加法－移位技術來實現(xiàn)乘法，Mowle曾經對這些基本的乘法算法和問題作了詳細的描述［4］。對于二進制數A，B來說，設其數值為AV，BV
由此原始矩陣乘法產生了標準的移位加算法［5，6］。一般的標準浮點乘法運算分為階碼運算與尾數運算兩部分，其主要部分為尾數運算。標準尾數相乘是采用邊乘邊相加的辦法（即加法－移位）來實現(xiàn)的，即乘數向左移位，產生中間結果，中間結果被加至積區(qū)的方法；在整個過程中，積也與乘數一起移位。此過程如圖1所示。上述方法對于兩個n位二進制尾數的相乘結果，即乘積為2n位，也就是部分積要點n位，在運算過程中，這2n字節(jié)都有可能要有相加的操作，需2n個字節(jié)加法器。對于標準算法，相當于進行了8n次2n字節(jié)的移位，還有次2n字節(jié)的加法。其中Pj（bj）為其每個bit位的布爾取值，其為1則取1，反之則為0。
為了節(jié)省運算時間，標準乘法應用標準右移乘法方法以便減少加法器的數量，有關這方面的具體論述請參見文［2］。
2 掃描乘法的基本原理
在執(zhí)行乘法指令時，如果每個周期所檢查的乘數位多于一位，乘法的速度便可以加快。例如，每次檢查二位，那么加法移位周期的總數就可以減半。這些逐次掃描的位組可以是分離的，也可以是重疊的。這里先簡述一下分離掃描的原理。對于乘數來講是以字節(jié)為單位的，其字長按二進制BIT來計是偶數，設被乘數A＝（AX），乘數B＝（MR）；則在掃描了最低一對乘數位（MR1，MR0）后，有四種可能的動作，如圖2所示。對于m＝（MR1，MR0）2來說，被乘數A的倍數m×A被加到當前的部分乘積上，用來生成下一個部分積。上述原理可以推廣到任意大小的掃描位組，其具體實現(xiàn)方法和分析結果請參見文［2］，這里不再敘述。
以上所描述的是分離掃描的情況，下面再介紹重疊多位掃描的情況。一般在乘數中bj為0的個數越多，則程序運行的時候對為0的情況僅僅是移位越過，而不用作加法的運算，在此種情況下的運算相對加快。因此希望對乘數的bj能否進行適當的操作，使這之在bj為1的區(qū)域也能使運算時間減少。
現(xiàn)考慮乘數中有一串k個連續(xù)的1，如下
列的位置…，i＋k，i＋k－1，i＋k－2，…，i，i－1，…
列的內容…，0，1，1，…，1，0，… （2）
按常規(guī)，在移位加時，被乘數A與部分積要進行k次加法操作，但是存在
2i＋k－2i＝2i＋k－1＋2i＋k－2＋…＋2i＋1＋2i （3）
因此可以用下面的數符串來代替k個連續(xù)的1
列的位置…，i＋k，i＋k－1，i＋k－2，…，i，i－1，…
列的內容…，1，0，0，…，－1，0，… （4）
上面的－1表示執(zhí)行一次減法。利用這種乘法再編碼的方法，只要在數字串開始時作一次加法，結束時作一次減法，使這能夠代替原來的k次連續(xù)加法。顯然，當k很大時，能節(jié)省大量的加法時間。
為了方便掃描，乘數位仍按二位一組分成許多組，但一次掃描三位，二位來自現(xiàn)在的組，第三位來自下一次高次組的低位，實際上每一組的低位被檢測了二次。為了與右移算法取得一致，假定掃描乘數從右端到左端，重疊和非重疊兩種掃描模式表示見圖3。
設掃描組XR＝［Xi＋1，Xi］2；下一掃描組XR′＝［Xi＋3，Xi＋2］2；每三位一組檢測后的動作說明見圖4。其指出了每個機器周期或執(zhí)行一次單純的移位，或者執(zhí)行一次加法，或者執(zhí)行一次減法，這里只需要倍數2A或4A。當下一對的低次位xi＋2為0時，三位中最左邊的1經常指示一串1的左端（結束）。依式（3）所描述的特性，在具有非零的乘數位時應該執(zhí)行加法。另一方面，當xi＋2＝1 時，即意味著是一串1的右端（開始）或中心，按照串特性需要作一次減法，在每個加法周期中，部分乘積每次要右移二位。這就使部分乘積比它應該具有的數值少了4倍被乘數（－4A）。這可以用在下一步掃描中加上所需被乘數的倍數與4倍數的差值來校正。倍數2A或4A進入加法器的地點是重要的。如果一對的尾數是 0，那么所得到的部分乘積是正確的，而且下一次的操作是一次加法。如果一對的結尾是1，則所得到的部分乘積太大，所以下一次操作將是一次減法。
3 單片機重疊掃描乘法運算的實現(xiàn)
從以上原理可知，針對二位一組的情況需要五個被乘數的倍數，其數值可取為0，±2A，±4A。由于其每移二位至多操作一次加減法，在多字節(jié)的運算中對提高執(zhí)行效率有很大的益處；不過考慮到8BITMCU的移位操作并沒有二位一移的指令，對這種掃描算法有很大的障礙，必須重新考慮掃描運算如何在微型機上進行實施。
根據文［2］，MCU對字節(jié)與半字節(jié)操作的指令較強，因此可以在掃描算法的基礎上擴展其掃描位組，這樣在每個加法周期中的運算變得很復雜，因此首先必須研究清楚這種情況。
將乘數位按4BIT分成一組，一次掃描五位；設本組為BMi＝［Xi＋3，Xi＋2，Xi＋1，Xi］，下一次要掃描的BMi′的低位為Xi＋4；這樣在掃描過程中的情況與文［3］所介紹的情況有類似之處，但這里進行運算的次數不但與BMi有關，同時下一次掃描的低位對本算法也有重大的影響作用。假定在運算數中0，1的概率出現(xiàn)機會均等，對4位一組的掃描進行分析?！ 「鶕丿B掃描算法的原理，BMi′低位為0時（如圖5所示），組中最左端的1指示一串1的左端（結束）。依據式（3），很容易得到每次掃描部分積所要加的被乘數倍數（見圖5），可以得到其倍數，即相加的倍數
Pj＝｛BMi－2G［BMi／2］｝A＋BMi．A ＝2（BMi－G［BMi／2］）A （5）
其中G［］為取整函數。Pj實質上均與2A有關，這一點從圖中可以看到。如果一組的結尾是零，那么所得到部分乘積是正確的，按正常操作；如果一組的結尾是1，那么所得的部分積同上一次掃描有關；所以此時只是在掃描第一組時做一下記錄，在最后完成時針對它在最尾端減一次A即可。這一點對于BMi′低位為1時也成立。其部分積加的情況如圖6所示。
區(qū)別只是改加為減，因為部分積的減值在以后的掃描中可以修正回來，不用采用補碼的運算也能完成，最常用的方法是設置輔助運算區(qū)，采用臨時記錄的方式保證其部分積在掃描任一周期保持正確結果，也稱為臨時擴展方法，這里就不重復。這樣，在每次掃描僅剩下一個問題，即如何處理Pj，這里Pj與文［3］中處理的方法有類似之處。以2A為基礎，將Pj形成一個加（減）法序列，也就是將Pj變?yōu)?qA的序列，如12A＝22A＋23A。這樣就可以在一個掃描周期完成部分積的加法。這里建議讀者去探索Pj更好的形成方法，因為形成2qA的序列，1≤q≤3，要占用時間（24A可以通過半字節(jié)操作做左端拼加處理，因為24A相當于A左移半字節(jié)，運算時直接依靠輔助運算區(qū)），同時在特殊處理上也額外占有一些運算時間，這一點在圖7中也可以看出來。這樣一來，在Pj的加法過程中，掃描算法在某些BMi值上并不都占優(yōu)勢，這一點在圖5，6中也可以體現(xiàn)（BMi中Xi＋3，Xi＋2，Xi＋1，Xi為1的個數決定了在標準算法中的加法次數）；但重疊掃描畢竟節(jié)省了時間，其與標準算法在一個掃描周期內的加法次數情況如圖8所示（其中系列1為重疊掃描算法，系列2為標準算法）。加之在移位中節(jié)省的時間，重疊掃描全過程的運算時間與標準右移算法的比較情況如圖8所示（S1為重疊掃描算法，S2為標準算法）。在局部區(qū)域，由于采用上述的Pj處理方法，運算時間節(jié)省情況還不甚理想，但在總體上還是有很大的改進。
4 結 論
以上介紹的是重疊均勻移位掃描算法，前面談到重疊非均勻移位掃描算法，有關這種算法的詳細介紹請參見其他文獻。
在以上過程中，是假定BMi中的Xi＋3，Xi＋2，Xi＋1，Xi值的1，0分布服從自然概率，然而在運算中由于Xi＋4的作用，在對某區(qū)間數據進行操作時存在差異，通過對一些運算區(qū)間的數據進行了統(tǒng)計，其Xi＋4與BMi值的分布概率如圖9所示；以實際的一組分布來驗證重疊算法運算時間的縮短情況，如圖10所示（S1為重疊掃描算法，S2為標準算法；圖中前面為S1，后面陰影為S2）?？梢钥吹街丿B掃描法對浮點多字節(jié)乘法運算有很大的改進，它打破了移位加法的傳統(tǒng)乘法算法，有了算法的預測功能，提高了乘法運算的速度。本算法在某軍工項目中得到應用，效果很好。
參考文獻
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2 陳 宇，王遵立．MC－51單片微型機上實現(xiàn)的快速掃描浮點乘法運算．數據采集與處理，1992，（9）：151～153
3 陳 宇，畢淑艷，王遵立，等．MCS－51單片機實現(xiàn)的快速浮點多字節(jié)BCD乘除運算．電子技術應用，1998，（2）：17～19
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6 Garner H L．A ring model for the study for a binarymultiplier using 2，3 or 4－bit at a time．IEEE Trans，1959，EC－80（1）：25～30
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