浮点指数类超越函数运算算法的研究和硬件实现

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1、摘要作者结合国家“十五”预研课题(编号41308010307)，完成了32位CISC微处理器“龙腾”C1浮点处理单元的设计与验证工作。“龙腾"C1微处理器在指令集和接口时序上与Intel486DX2兼容，已作为微处理器IP核应用于SoC芯片“龙腾”S1中。论文主要工作如下：1．参与设计并实现了“龙腾”Cl的浮点处理单元。主要负责了整个浮点处理单元的结构设计，浮点接口单元的设计与实现，以及部分浮点算法的分析与实现。目前以“龙腾’’C1为核心的SoC芯片一“龙腾’’Sl已经采用SMICO．18umCMOS

2、工艺成功流片。2．研究和分析了目前常见的指数函数算法，包括查找表法，多项式拟合法，基于查找表的多项式拟合法，Digit-by-digit算法和CORDIC算法。3：重点分析了J．S．Walther的经典CORDIC算法，并结合“龙腾”C1浮点处理单元对面积、速度和精度的具体要求，对CORDIC算法进行了推导，得到了一种适合“龙腾”C1的CORDIC算法，转变换次序、数值表示方法和迭代流程，并确定了该算法的硬件实现步骤，即旋从而可以用较低的硬件代价来达到比较高的运算精度。这种方法可以实现包括指数函数在内

3、的所有常见超越函数的计算，作者土要就CORDIC实现指数函数进行了讨论。4．完成了浮点处理单元的数据通路设计，包括尾数部件和指数部件。5．完成了浮点处理单元的模块级和系统级验证，FPGA调试以及整个设计的集成。目前，基于“龙腾”S1芯片的PCI04工控机主机单板稳定运行了DOS6．22操作系统和典型应用程序，并在某型号无人机飞行控制系统中顺利完成了应用验证。关键词：浮点处理单元，IEEE754，CISC，指数函数，CORDICAbstractTheworkofthisthesisissupported

4、bytheNationalAdvancedResearchProject(No．41308010307)．Theauthorparticipatesinthedesignandverificationofa32-bitCISCmicroprocessor‘‘Longtium’’C1．‘‘Longtium’’C1iscompatiblewithIntel486DX2instructionsetandhasbeenintegratedinto“Longtium”S1asanIPcore．Following

5、researchworkisincludedinthisthesis：1．TakepartinthedesignandimplementationofFPU(Floating-PointUnit)．TheauthorisreponsibleforthearchitecturedesignofFPUandtheimplementationofFIU(Floating-pointInterfaceUnit)．Somefloatingalgorithmsarealsoanalyzed．The‘'Longti

6、um”S1hasbeentape—outwithSMICO．18umCMOStechnologysuccessfully．2。Studyandanalyzethefamiliaralgorithmsforhardwareimplementationoftheexponentialfunction，includingTablelookupmethod，Polynomialapproximationmethod，Combinedmethod，Digit-by·digitmethodandCORDICmet

7、hod．3．AnalyzetheJ．S．WaltherCORDICalgorithmandpresentthe‘'Longtium’’C1CORDICalgorithmforthehardwareimplmentationbasedonthedemandofarea，speedandprecision．Theauthorproposesthehardwareimplementationstepofthisalgorithm，whichincludesrotationsequence，dataforma

8、tanditerationflow．Theimplementationcanarchievehighprecesionwithlowhardwareoverhead，whichalsocanbeusedforalltheelementarytranscendentalfunctions．4．DesignthedatapathofFPU，whichincludesmantissapartandexponentpart．5．Achievetheverific