一款高性能64位DSP中SIMD結(jié)構(gòu)FMAC的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證.pdf

1、X-DSP是我校自主研制的面向密集型數(shù)據(jù)計(jì)算的64位高性能通用DSP，采用11發(fā)射的超長指令字結(jié)構(gòu)。該DSP內(nèi)核設(shè)有浮點(diǎn)乘加（FMAC）部件，X-DSP的FMAC部件功能強(qiáng)大，其性能指標(biāo)直接決定X-DSP的峰值性能，如何設(shè)計(jì)出功耗低、面積小、性能高的FMAC部件是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。
　　本文圍繞FMAC的優(yōu)化設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證展開，主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　(1)根據(jù)算法和性能需求設(shè)計(jì)了通路分離FMAC部件總體結(jié)構(gòu)

2、　　該部件能夠支持64位雙精度浮點(diǎn)操作和32位SIMD（Single Instruction Multiple Data）單精度浮點(diǎn)操作，實(shí)現(xiàn)了乘法、加法、融合乘加、點(diǎn)積和復(fù)數(shù)乘法共12條指令。在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)功能需求提出三種FMAC結(jié)構(gòu)（非融合乘加FMAC結(jié)構(gòu)、非分離融合乘加FMAC結(jié)構(gòu)、通路分離FMAC結(jié)構(gòu)），并進(jìn)行了全面的性能和代價(jià)分析，其中非融合乘加FMAC結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)雙精度乘加操作時(shí)延時(shí)較大；非分離融合乘加FMAC結(jié)構(gòu)采用單、雙

3、精度數(shù)據(jù)通路復(fù)用設(shè)計(jì)，導(dǎo)致點(diǎn)積和復(fù)數(shù)乘法的算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、計(jì)算延時(shí)長、硬件開銷大。本文針對以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了通路分離FMAC總體結(jié)構(gòu)。
　　(2)通路分離結(jié)構(gòu)FMAC部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與指令的數(shù)據(jù)通路復(fù)用設(shè)計(jì)
　　首先，提出單、雙精度通路分離的FMAC部件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化關(guān)鍵路徑延時(shí)和減小面積開銷，其中雙精度通路采用融合乘加（A*B+C）策略，將對階移位后的操作數(shù) C作為部分積融合到尾數(shù)乘法部分積壓縮陣列中，縮短雙精度乘加尾數(shù)計(jì)

4、算延時(shí)；單精度通路通過簡化點(diǎn)積和復(fù)數(shù)乘法操作的算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以減小面積和優(yōu)化時(shí)序。其次，優(yōu)化乘法器結(jié)構(gòu)，采用4個32*32乘法器來實(shí)現(xiàn)雙精度和SIMD單精度乘法、融合乘加、點(diǎn)積和復(fù)數(shù)乘法中的尾數(shù)乘法，復(fù)用單、雙精度通路實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)乘法中的實(shí)部運(yùn)算和虛部運(yùn)算。最后，在通路分離FMAC結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，復(fù)用尾數(shù)對階、尾數(shù)加法和規(guī)格化等邏輯，實(shí)現(xiàn)了5周期雙精度浮點(diǎn)加法和SIMD單精度浮點(diǎn)加法。
　　(3) FMAC部件的功能驗(yàn)證
　　根據(jù)F