基于FPGA的FPU设计研究

随着集成电路技术的发展，处理器的集成度越来越高，功能越来越强大。但是处理器在浮点处理方面一直没有突破性进展，而浮点处理是高速高精度数据处理的关键技术，因此对浮点协处理器，即浮点处理单元(FPU,Floating-PointUnit)的研究显得尤其重要。 本文介绍了FPU的发展历史，体系结构和指令系统。重点是数据通道相关算法的研究和算法的硬件实现，同时对控制系统设计进行了研究。最后应用FPGA对设计进行实现。 在数据通道设计中，提出了双路径的设计思想，实行指数和尾数并行处理。对浮点加法器采用三级流水线双路径结构，以及合并舍入逻辑、高速LOPV编码电路、进位链优化技术，大大提高了运算性能。乘法运算实现中增加编码旁路逻辑，通过路径均衡的办法消除毛刺。在除和平方根运算实现中，引入了猜测逻辑和校正逻辑优化查找表，通过Q和Q-1寄存器，利用相关算法消除了通常替代方法飞速商转换的额外加法。最后介绍了利用Cordic算法对三角函数等超越函数进行实现。 在控制系统设计中，微指令设置主要采用了水平型方式，同时结合了垂直型微指令的特点使微指令长度变短。在CORDIC等替代控制中采用了硬布线控制方法，提高替代速度，即在微程序控制系统中结合使用了硬布线的方法。 最后，选用Apex20k300e器件对数据路径进行了进行实现，得到很好的性能。

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