基于RISC指令系统的32位浮点加减法运算器设计

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1、基于RISC指令系统的32位浮点加减法运算器设计摘要：浮点运算部件一直是限制微处理器性能的一个关键因素。在分析了浮点运算器的结构和算法，提出了一种支持IEEE-754标准的浮点加减法运算器的实现方案，并详细介绍了该运算器的结构和算法。方案采用了四级流水线的结构,即：0操作数检查、对阶、尾数运算、结果规格化及舍入处理。每个步骤可以单独作为一个模块，在每个模块之间增加了寄存器，利用这些寄存器可以为下一个操作准备正确的数据。关键词：流水线，IEEE-754标准，警戒位，舍入法32bitFloating-PointAdditionandSubtra

2、ctionALUDesignBasedonRISCStructureABSTRACT：Floating-Pointarithmeticunitisalwayskeyfactorofrestrictingmicroprocessorperformance.ThispaperanalysesstructureandalgorithmofFloating-PointALUandbringsforwardascenarioaboutFloating-PointadditionandsubtractionALUwhichsupportsIEEE-75

3、4standard.Thescenarioadopts4-Levelpipeliningstructure:0operationnumberscheck、matchexponent、fractionarithmetic、resultnormalizationandrounding.Eachstepcanbeactasasinglemodule.Amongthesemodules,therearesomeregisterswhichcanpreparecorrectdatafornextoperation.Keywords:pipelinin

4、g,IEEE-754Standard,GuardDigit,RoundingMethod1引言随着SOC技术、IP技术以及集成电路技术的发展，RISC软核处理器的研究与开发设计开始受到了人们的重视。基于FPGA的RISC软核处理器在各个行业开始得到了广泛的应用，特别是在一些基于FPGA的嵌入式系统中有着越来越广阔的应用前景。数据类型是数据表示的计算机实现，常见类型分为基本型,带标志位型,堆栈型,向量型等等，其中基本型数据更是为高级编程语言中广泛应用。浮点数据在基本数据类型中更是占有重要位置,因此，浮点运算能力甚至成为数据运算强弱的一个指标。

5、由于浮点数可以同时提供大范围和高精度的数据，很多微处理器直接采用硬件浮点运算单元。IEEE-754标准就是目前最广泛使用的浮点数标准，它规定了符合该标准所需的浮点数的格式、精度和算术操作。通过对所设计对象特点及其可行性的研究，选用了Altera公司QuartusII软件作为设计与仿真验证的环境。在设计方法上，采用了自顶向下的设计方法。在设计过程中采用了边设计边验证这种设计与验证相结合的设计流程，大大提高了设计的可靠性。2浮点加减法器工作原理与结构浮点加法器的运算除了尾数加法以外，还需要对准移位、规格化移位、求补码、前导零预测和舍入操作，因此

6、运算速度较整数加法器运算有很大差距。快速的浮点加法器对于浮点单元的性能至关重要，故而减少浮点加法运算时间的技术研究倍受重视。在设计中，通过流水线技术来实现0操作数检查、对阶、尾数运算、结果规格化及舍入处理四步操作；浮点数选用IEEE754标准，尾数用补码表示，阶码用移码表示。设计完成的这一加减法运算器可以提高CPU的运算速度，进而可以提高整个系统的性能。2.1需要解决的关键问题(1)首先要进行“0”操作数检查，如果加数/被加数是“0”，则结果是被加数/加数。(2)由于本设计采用的数据是IEEE754标准的浮点数，而且在计算机中阶码是用移码表

7、示，所以运算前要先对阶。使两数的小数点位置对齐，即要求两数的阶码相等。采用小的尾数向右移位，每右移一位，阶码加1，直到两数的阶码相等为止。尾数右移时可能会发生数码丢失，影响精度。(3)在做尾数加减操作时，因为尾数结构实际是1.m，所以在实际进行运算时要将这个丢掉的“1”补上。运算后得到的结果也要保证尾数是1.m的形式，所以在最终的结果上要对不是这种结构的尾数进行向左或向右规格化，而且要对得到的结果选取不同的舍入方法进行舍入处理。2.2总体结构设计通过对两个浮点数加减法运算过程的分析，将运算器的加减运算过程分为四个流水段：0操作数检查、对阶―

8、―使小阶向大阶看齐操作、尾数加减、结果的规格化处理及其舍入处理。在每个模块之间设计了寄存器用来存放前一流水段所得出的结果。这四个模块可以作为四个不同的子任务，只要能不断地向这个流