FPGA中浮點運算功能的實現(xiàn)技術

茅 飛 劉樹青 朱興華 朱昊

1.南京康尼電子科技有限公司，江蘇 南京 210013

2.南京工程學院先進數(shù)控技術江蘇省高校重點建設實驗室，江蘇 南京 211167

3.常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213016

FPGA中浮點運算功能的實現(xiàn)技術

茅 飛1劉樹青2朱興華3朱昊2

1.南京康尼電子科技有限公司，江蘇 南京 210013

2.南京工程學院先進數(shù)控技術江蘇省高校重點建設實驗室，江蘇 南京 211167

3.常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213016

浮點運算在眾多領域廣泛應用，通過采用純硬件電路方法實現(xiàn)并形成模塊化，可以增強可移植性、提高浮點運算速度和精度、縮短研發(fā)周期和降低開發(fā)成本。詳細介紹了FPGA中浮點運算功能的實現(xiàn)算法和實現(xiàn)技術，實現(xiàn)了32位浮點數(shù)的加減乘除功能運算單元設計，通過QuartusII自帶的仿真軟件獲得仿真波形，驗證了正確性。

浮點運算；現(xiàn)場可編程門陣列；模塊化

隨著半導體技術的快速發(fā)展和生產(chǎn)工藝水平的不斷提高，F(xiàn)PGA芯片在性能和密度方面得到了提高，已具有性能高、密度高、電壓低、功耗低、可靠性高等特點,可滿足純硬件實現(xiàn)浮點運算的需要。本文介紹了FPGA中浮點運算功能的實現(xiàn)算法和實現(xiàn)技術。

1.浮點數(shù)的描述

E為階碼位，共8位，E∈[1,254],當E=0或E=255時Y為非數(shù)（NAN，Not A Number）或非規(guī)格化數(shù)。32位浮點數(shù)（單精度）組成結構如表1。

表1 32位浮點數(shù)組成結構

為表述方便，設有浮點數(shù)Y1和Y2，分別為：

其中S1，S2為符號位；F1，F(xiàn)2為尾碼位；E1，E2為階碼位。令

2.浮點數(shù)加減法設計

2.1 浮點數(shù)加減法算法

如(1-3)、（1-4）兩個浮點數(shù)，其加減法運算可如下表示：

Y1和Y2兩浮點數(shù)加減法運算流程如圖1所示。其運算步驟如下：

⑷ 求和或求差：對階完畢浮點數(shù)的尾碼需要進行求和或求差；

圖1 浮點數(shù)加減法流程

2.2 加減法模塊實現(xiàn)

根據(jù)2.1算法，可利用Verilog HDL硬件描述語言實現(xiàn)浮點數(shù)加減法運算器。浮點數(shù)運算器邏輯框圖如圖2所示。

圖2 浮點運算器邏輯框

浮點數(shù)進入輸入單元后，提取出符號位、階碼位、尾碼位送到相應的運算單元進行處理，再經(jīng)過規(guī)格化處理單元，得到結果。浮點運算器端口定義見表2。

在加減法運算單元中，符號判斷和前導1檢測比較重要，前者決定運算方式和最終結果符號，后者為規(guī)格化服務。

表2 浮點運算器端口

符號判斷硬件語言描述：

其中y為兩浮點數(shù)尾碼相加或相減后的結果，e為兩浮點數(shù)階碼比較后的階碼，前導1檢測就是檢測尾碼運算結果的第一位是否為1，如不是，則左移，左移1位，階碼減1；casex語句中x表示0、1均可，如23'b001xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx表示只判斷前三位是否001，條件成立則f左移2 位賦值給F 輸出，F(xiàn) 值為23'b1xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx00，同時階碼減2（8'b00000010）。

3.浮點數(shù)乘除法設計

3.1 浮點數(shù)乘除法算法

如(1-3)、（1-4）兩個浮點數(shù)，其乘除法運算可如下表示：

Y1和Y2兩浮點數(shù)乘除法運算流程如圖3所示。其運算步驟如下：

得出結果符號。

⑷ 規(guī)格化處理：對結果進行前導零檢測、初次規(guī)格化、尾數(shù)舍入和最終規(guī)格化得到最后結果。

圖3 浮點數(shù)乘除法流程

3.2 乘除法模塊實現(xiàn)

根據(jù)3.1算法，利用Verilog HDL硬件描述語言、FPGA內(nèi)嵌的硬件乘法器和除法器實現(xiàn)浮點數(shù)乘除法運算單元。浮點數(shù)乘除法運算邏輯框圖如圖2所示。

浮點數(shù)進入輸入單元后，提取出符號位、階碼位、尾碼位送到相應的運算單元進行處理，再經(jīng)過規(guī)格化處理單元，得到結果。浮點運算器端口定義見表2。

內(nèi)嵌硬件乘法器和除法器可完成高速乘除法操作，精度較高。比使用邏輯單元完成乘除法運算更節(jié)省邏資源，延時更小。內(nèi)嵌硬件乘法器例化描述如下：

其輸入為23位，輸出結果為45位，結果經(jīng)舍入處理為23位后，規(guī)格化得到尾碼23位。

硬件除法器例化與乘法器有所不同，其結果分

為商和余數(shù)，內(nèi)嵌硬件除法器例化描述如下：

其輸入為23位，輸出商為23位，余數(shù)為23位，余數(shù)經(jīng)過移位與除數(shù)輾轉相除，得到最后結果。

4.浮點數(shù)運算模塊化

在浮點數(shù)加減、乘除運算單元的基礎上，實現(xiàn)三個子單元的模塊化設計，可以縮短研發(fā)周期和降低開發(fā)成本，為以后的I P核固化打下基礎。模塊由數(shù)據(jù)輸入單元、運算選擇單元和運算處理單元組成，運算處理單元包含加減法運算單元、乘法運算單元和除法運算單元。模塊通過數(shù)據(jù)輸入單元提取符號位、階碼位和尾碼位；通過運算選擇單元決定是何種運算；通過運算處理單元處理相應的運算。模塊邏輯框如圖4所示。

圖4 模塊邏輯框

由于只有3個運算單元，選擇信號只需2位，具體選擇信號與運算單元之間關系見表3。

表3 選擇信號與運算單元關系

使用硬件描述言語輸入和原理圖輸入，在Altera公司的可編程邏輯器件開發(fā)軟件Quartus II中經(jīng)過分析和綜合后得到的模塊封裝圖如圖5所示，模塊綜合仿真圖如圖6所示。

圖5 模塊封裝圖

圖6 模塊綜合仿真圖

仿真圖中clk（1位）是時鐘信號，ctr（2位）是運算模式控制信號；y1in（32位），y2in（32位） 為輸入信號；yresult（32位）為輸出信號。圖中控制信號是二進制格式，輸入輸出信號是十六進制格式。

5.結束語

本文詳細介紹浮點運算的加減運算和乘除運算的實現(xiàn)算法和技術，并在此基礎上實現(xiàn)三個運算單元的模塊化設計。通過Altera公司的可編程邏輯

器件開發(fā)軟件Quartus II軟件仿真，驗證了設計的正確性。

[1]劉增明，張文山．嵌入式軟件浮點運算精度分析[J]．洛陽：航空兵器，2010

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.034

江蘇省自然科學研究基金項目(BK2008367)；南京工程學院科研創(chuàng)新基金項目(CKJ2009004)