快速单精度浮点运算器的设计与实现

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1、文章编号：1007-2373(2011)03-0074-05快速单精度浮点运算器的设计与实现田红丽1，2，闫会强1，赵红东2（1.河北工业大学计算机科学与软件学院，天津300401；2.河北工业大学信息工程学院，天津300130）摘要浮点运算单元FPU（Floating-pointUnit）在当前CPU的运算中地位越来越重要，论文中实现了一种基于FPGA的快速单精度浮点运算器.该运算器采用了流水线和并行计算技术，使得浮点数运算的速度有了显著的提高.在QUARTUSII7.1系统上对运算器已仿真成功，结果表明

2、它可以运行在40.5MHz时钟工作频率下，能快速准确地完成各种加、减、乘和除算术运算.关键词中图分类号FPGA（现场可编程逻辑门阵列）；单精度；并行处理；并行加法器；阵列乘法器；阵列除法器文献标志码ATP323Designandimplementationoffastsingle-precisionfloating-pointarithmeticunitTIANHong-li1，2，YANHui-qiang1，ZHAOHong-dong2(1.SchoolofComputerScienceandEngine

3、ering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China;2.SchoolofInformationEnginnering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)AbstractItisthetrendtoadopttheFloating-pointUnit(FPU)inthestructureofCPU.Afastsingleprecisionfloatingpointarithmeticuniti

4、sproposedandrealizedbasedontheFPGA.Pipeliningandparallelprocessingareappliedtothearithmeticunit,sothatfloatingpointoperationspeedhasbeensignificantlyimproved.ThesuccessfulsimulationresultsonQUARTUSII7.1showthatthearithmeticunitcanoperateat40.5MHzclockfrequ

5、encyandcompleteallkindsofad-dition,subtraction,multiplicationanddivisionoperationsquicklyandaccurately.KeywordsFPGA(field-programmablegatearray);single-precision;parallelprocessing;paralleladder;arraymultiplier;arraydivider引言运算器是CPU（中央处理器）的重要组成部分．作为典型的PC机一

6、般都至少具有一个定点运算器．在586之前的机型中，由于当时硬件条件和工艺的限制，浮点运算器一般以协处理器的形式出现．90年代以后，随着硬件工艺的发展，浮点运算器FPU（Floating-pointUnit）已可以集成到CPU内部，其中FPGA（现场可编程门阵列）技术使其成为现实[1]．本文利用VerilogHDL[2]语言与原理图相结合的方法在FPGA上设计并实现了快速单精度浮点运算器．设计过程中，将并行计算技术引入运算器及其内部各个模块之中．该运算器的设计分为建模、划分模块、设计模块、仿真4个步骤．实验结

7、果表明该运算器可以运行在40.5MHz的时钟工作频率下，能快速、准确地完成加、减、乘和除4种算术运算．01单精度浮点数的编码表示在计算机系统的发展过程中，对实数目前使用最广泛的是浮点数表示法．而浮点数在运算时，有两种形收稿日期：2010-12-06基金项目：河北省自然科学基金（F2007000096）作者简介：田红丽（1972-），女（汉族），讲师，博士生．313023220SE（阶码）M（尾数）数符小数点位置图132位单精度浮点数格式Fig.132Single-precisionfloatingpoint

8、formatopaopbfpu_op规格化及数据类型判别模块加或减的阶码和乘或除的阶码和符号处理模块符号处理模块加或减运算模块乘法运算模块除法运算模块rmode最终结果处理模块overflowfpoutineinfqnansnanzerounderflowdiv_by_zero图2快速单精度浮点运算器的结构Fig.2Thestructureoffastsingle-precisionfloat-pointoper