[發(fā)明專利]一種高性能浮點加法器的設(shè)計方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011101095.8
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN114371827A
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 范毅
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥君正科技有限公司
• 主分類號: G06F7/485
• 分類號: G06F7/485
• 代理公司: 北京嘉東律師事務(wù)所 11788
• 代理人: 田欣欣

本發(fā)明提供一種高性能浮點加法器的設(shè)計方法，采用雙路設(shè)計，根據(jù)輸入的加數(shù)與被加數(shù)的特點，分為near path和far path兩種情況進行計算，其中，near path適用于兩個浮點數(shù)進行有效減，并且階碼之差小于2的情況；far path則適用于非near path的情況，即兩個浮點數(shù)進行有效加，或者其階碼之差不小于2，對于本方法的near path部分，包含以下步驟：S1，首先通過尾數(shù)比較器對兩個尾數(shù)的大小進行比較；S2，然后根據(jù)大小關(guān)系確定尾數(shù)加法器的輸入，直接計算f_sub＝f_max?f_min；S3,之后通過前導(dǎo)零計數(shù)器直接根據(jù)尾數(shù)差f_sub計算準(zhǔn)確的前導(dǎo)零個數(shù)LZC(f_sub)；S4，根據(jù)前導(dǎo)零計數(shù)器的結(jié)果進行規(guī)格化邏輯。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)字集成電路設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種高性能浮點加法器的設(shè)計方法。

背景技術(shù)

浮點運算在音頻處理和科學(xué)計算程序中經(jīng)常使用。歷史上，浮點數(shù)在計算機中采用過許多表示形式，目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)，圖1給出了根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)定義的單精度浮點數(shù)的格式。其中S表示符號位，占用1-bit，e表示階碼，占用8-bit，f表示尾數(shù)，有時也稱之為小數(shù)，占用23-bit。

一個浮點數(shù)由符號位、階碼以及尾數(shù)三個部分組成。通用的浮點標(biāo)準(zhǔn)，使得今天的各種計算機軟件可以在不同的計算機上運行，并得到相同結(jié)果。

為了加快處理速度，CPU中通常會集成專用的浮點運算電路。浮點加法運算是浮點運算中使用頻率較高的，由于其算法步驟多，規(guī)則復(fù)雜，因此高性能的浮點加法器設(shè)計復(fù)雜，是浮點運算電路中的核心運算單元之一，在整個CPU的面積中占比較大。

目前高性能浮點加法器主要采用雙路設(shè)計，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中左側(cè)為farpath路徑，右側(cè)為near path路徑。雙路設(shè)計根據(jù)輸入的加數(shù)與被加數(shù)的特點，分為nearpath和far path兩種情況同時進行計算，最后選擇正確的路徑作為最后的計算結(jié)果。其中，near path適用于兩個浮點數(shù)進行有效減，并且階碼之差小于2的情況；far path則適用于非near path的情況，即兩個浮點數(shù)進行有效加，或者其階碼之差不小于2。

符合near path情況的兩個浮點數(shù)相加時，尾數(shù)最多需要一位右移就可以相加，但是可能需要多位左移，來規(guī)格化計算結(jié)果；反之，far path情況的兩個浮點數(shù)相加時，需要先對尾數(shù)進行多位右移再進行相加，而結(jié)果則至多需要一位移位操作就可以規(guī)格化。通過增加法器、前導(dǎo)零預(yù)測器以及相關(guān)的修正邏輯，雙路浮點加法器相當(dāng)于將near path的情況提前處理，其尾數(shù)加法邏輯與far path情況下的尾數(shù)移位器并行計算，其規(guī)格化邏輯與farpath的尾數(shù)加法邏輯并行計算，壓縮了浮點加法電路的關(guān)鍵路徑，提高了運算速度。

相比于一般的單路浮點加法器，雙路浮點加法器主要增加了的尾數(shù)加法器和前導(dǎo)零預(yù)測器，這些新增的邏輯電路的面積較大，也因此帶來了更高的功耗開銷。由于前導(dǎo)零預(yù)測器只是預(yù)測前導(dǎo)零個數(shù)，需要引入更復(fù)雜、面積更大且更難驗證的修正邏輯。更進一步，單個浮點加法器的面積越大，反而制約了芯片中放置的浮點加法器數(shù)量，在提高串行運算能力的同時，卻在一定程度上限制了并行計算能力。

此外，本領(lǐng)域常見的技術(shù)術(shù)語包括：