高性能定點(diǎn)DSP位處理單元BMU的設(shè)計(jì)

1 功能概述
　　
　　位處理單元(Bit ManipulatiON unit，BMU)主要由取指電路、移位數(shù)據(jù)處理電路、移位選擇處理電路、桶形移位電路和輸出電路等幾部分組成。BMU的輸入數(shù)據(jù)是36位的BMUi，經(jīng)過(guò)處理后輸出36位的數(shù)據(jù)BMUo作為DSP的一次運(yùn)算結(jié)果。

本文設(shè)計(jì)的BMU是36位的，主要功能包括邏輯/算術(shù)移位、取指、歸一化等，以下是對(duì)控制信號(hào)及相關(guān)功能較為詳細(xì)的描述。
　　
　　邏輯/算術(shù)左移 相應(yīng)的控制信號(hào)是in arithshf，inleftshf，in_shift。將36位數(shù)據(jù)左移，低位補(bǔ)0；

　　邏輯右移 控制信號(hào)同上，他執(zhí)行的是低32位數(shù)據(jù)右移，同時(shí)高位補(bǔ)0；

算術(shù)右移 控制信號(hào)如上，36位數(shù)據(jù)右移，高位由原最高位填充；

取指 控制信號(hào)是in_exp，取36位數(shù)據(jù)的指數(shù)，也即冗余的符號(hào)位的個(gè)數(shù)；

歸一化 控制信號(hào)是in_norm，將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，得到去除冗余符號(hào)位后的結(jié)果。
　　
指數(shù)提取的目的是進(jìn)行類似于定點(diǎn)到浮點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。一個(gè)定點(diǎn)數(shù)可以用一個(gè)包含尾數(shù)和指數(shù)的浮點(diǎn)數(shù)來(lái)表示，這樣可以提高數(shù)據(jù)的表示范圍，同時(shí)使得定點(diǎn)DSP具有某種浮點(diǎn)運(yùn)算的能力。取指的結(jié)果相當(dāng)于浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)，而歸一化的結(jié)果可以看成浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)。這使得定點(diǎn)DSP能在不增加浮點(diǎn)算法開銷的情況下獲得某些浮點(diǎn)DSP的能力。
　　
2 單元電路設(shè)計(jì)
　　
2.1 桶形移位器的設(shè)計(jì)
　　
移位和歸一化操作都需要用到桶形移位器，因此桶形移位器是BMU的核心單元。通常，桶形移位器可以實(shí)現(xiàn)邏輯左移、右移，算術(shù)左移、右移等，一般為了減少晶體管和連線的數(shù)目以節(jié)省面積，通常只實(shí)現(xiàn)左移或右移中的一種。本文中只采用左移操作來(lái)實(shí)現(xiàn)桶形移位。設(shè)36位移位數(shù)據(jù)為BMUi,36位移位選擇信號(hào)為shfsel，當(dāng)shfsel[i]為1時(shí)，桶形移位器的輸入數(shù)據(jù)(即經(jīng)過(guò)移位數(shù)據(jù)處理后得到的數(shù)據(jù))左移i位。
　　
下面是實(shí)現(xiàn)右移的原理：
　　
BMUi從高位到低位依次是BMUi[35]，BMUi[34]，…，BMUi[1]，BMUi[0]，BMUi重復(fù)排列兩次構(gòu)成72位數(shù)據(jù)BMUi[35]，BMUi[34]，…，BMUi[1]，BMUi[0]，BMUi[35]，BMUi[34]，…，BMUi[1]，BMUi[0]，將72位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)移位(左移)后的高36位作為桶形移位器的輸出。當(dāng)要求桶形移位器實(shí)現(xiàn)右移shfnum位時(shí)，只要將該72位數(shù)據(jù)左移(36-shfnum)位即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然在實(shí)現(xiàn)移位操作時(shí)，必須對(duì)72位數(shù)據(jù)的高36位(右移時(shí))或低36位(左移時(shí))進(jìn)行處理，這個(gè)處理過(guò)程在移位數(shù)據(jù)處理電路中將會(huì)介紹。同時(shí)由于36位的shfsel最多只能選擇左移35位(shfsel[35]=1時(shí))，所以72位桶形移位器的輸入數(shù)據(jù)的中間2位可以合并成1位，成為71位輸入數(shù)據(jù)(此時(shí)實(shí)現(xiàn)右移操作時(shí)應(yīng)該將71位數(shù)據(jù)左移35-shfnum位)。
　　
移位的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)移位開關(guān)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。移位網(wǎng)絡(luò)(以8位移位數(shù)據(jù)為例，則移位器的輸入數(shù)據(jù)需要處理成15位)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，他是一個(gè)NMOS傳輸管陣列，行數(shù)等于數(shù)據(jù)字長(zhǎng)，列數(shù)等于最大的移位數(shù)。這個(gè)移位器結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)信號(hào)至多只經(jīng)過(guò)一個(gè)傳輸管，移位的傳輸延時(shí)理論上是一個(gè)常數(shù)，并且與移位位數(shù)及移位器大小無(wú)關(guān)，同時(shí)結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，利于后端版圖實(shí)現(xiàn)。但是NMOS傳輸管在傳輸高電平時(shí)有一個(gè)閾值電壓損耗，降低了電路的噪聲容限，因此需要在輸出端增加電平提升電路。

2.2 取指電路的設(shè)計(jì)
　　
指數(shù)(exp)指的是冗余符號(hào)位的個(gè)數(shù)，他對(duì)于二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)的歸一化是十分重要的，歸一化是將原二進(jìn)制補(bǔ)碼左移exp位(也就是將冗余的符號(hào)位移出)，例如對(duì)于二進(jìn)制補(bǔ)碼00001100，他冗余的符號(hào)位個(gè)數(shù)是3，所以exp=3，歸一化就是將00001100左移3位的過(guò)程，即變成01100000。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的BMU，符號(hào)位是BMui[31]，如果高5位不完全相同，則exp為負(fù)值。表1列舉了幾個(gè)數(shù)據(jù)的例子。

指數(shù)的提取過(guò)程分成兩步：
　　
(1)找出從BMUi[34]到BMUi[0]第一個(gè)與BMUi[35]不同的位i。
　　
(2)對(duì)i進(jìn)行編碼，得到指數(shù)值。
　　
第一步可以通過(guò)BMUi[35]與BMUi[34-i](i=0，1，…，33，34)異或來(lái)實(shí)現(xiàn)，找出第一個(gè)與BMUi[35]相異的位。同時(shí)本級(jí)產(chǎn)生的移位選擇信號(hào)必須能夠屏蔽下一級(jí)的移位選擇信號(hào)信號(hào)。設(shè)BMUi[34-i]位與．BMUi[35]異或的結(jié)果記為XOR[i](i=0，1，2，…，33，34)，前一級(jí)產(chǎn)生的屏蔽信號(hào)為C[i-1]，這樣第i位(i=0，1，2，…，33，34)的移位選擇信號(hào)可以表示成XOR[i]和C[i-1]的函數(shù)，指數(shù)選擇信號(hào)的最高位exp sel[35]可以表示成C[34]的反信號(hào)，這表示如果前35位屏蔽信號(hào)都為0，則屏蔽信號(hào)C[34]無(wú)效，此時(shí)exp sel[35]=1；如果前35位已經(jīng)有一個(gè)為1，則說(shuō)明36位二進(jìn)制位中存在與BMUi[35]相異的位，此時(shí)屏蔽信號(hào)C[34]有效，exp-sel[35]被屏蔽。

　　屏蔽信號(hào)最多將會(huì)經(jīng)過(guò)30幾級(jí)傳輸門，是取指電路的關(guān)鍵路徑，經(jīng)過(guò)30幾級(jí)的傳輸門后，信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱，延時(shí)較大，不符合高性能DSP的要求。可以考慮將這最長(zhǎng)路徑打斷，提高速度。類似與超前進(jìn)位加法器的進(jìn)位傳遞，將屏蔽信號(hào)鏈打斷，每4位提供一個(gè)超前屏蔽信號(hào)，用來(lái)屏蔽下一級(jí)的移位選擇信號(hào)，這樣隔斷了最長(zhǎng)路徑，提高了驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而提高取指電路的工作速度。