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高性能微处理器浮点乘加单元的研究

张洁  
【摘要】:浮点运算中,使用频率最高的两种典型操作分别是浮点乘法和浮点加法。浮点融合乘加单元(FMA)因其一条指令能同时完成浮点乘加操作这一明显的优势,使计算机浮点计算性能得以显著的提升。然而,在进行独立的浮点加法和浮点乘法运算时,浮点融合乘加单元则会增加对其独立运算的操作延时,对性能产生影响。因此,分别浮点融合乘加器和分离浮点乘加器进行研究具有重要的现实意义。本文分别对浮点融合乘加(FMA)单元和分离浮点乘加单元进行了设计与实现。对两种浮点乘加单元的优缺点进行了分析,旨在实现面向高性能计算的高性能浮点乘加单元。通过对浮点运算中浮点乘加单元以及关键模块的研究与分析,并对两种结构的单元加以实现并进行验证比较,本文研究内容主要包括如下几点:1)对浮点融合乘加单元以及分离浮点乘加单元的整体架构以及关键模块进行了较为深入的研究与分析,并对两种架构的乘加单元的相关技术进行了说明。2)对浮点融合乘加结构(FMA)单元采用七栈流水进行了实现,并对FMA单元的部分子模块的实现进行了说明,完成对整个单元的RTL级建模以及模拟验证。能实现单/双精度浮点乘加、浮点加/减法、浮点乘法等操作。对于LZA算法进行研究,采用基于monotonic string转换的前导零检测算法,并对前导零预测器中误差检测修正逻辑进行优化,提高其并行性。3)采用带进位修正结构的乘法阵列;对于浮点融合乘加结构中加法器设计采用循环进位(EAC)加法器加以实现,有效提高其执行效率。4)分析了分离浮点乘加单元的总体结构,并对浮点乘法和浮点加法采用“4+4”级流水结构加以实现。完成了对整个分离浮点乘加单元的RTL级建模以及模拟验证。实现了浮点乘法与浮点加法的通路分离。5)分离浮点融合乘加结构中,对于加法部分的设计采用双通路的思想进行实现,将其分为FPath通路和NPath通路,使关键路径上的延迟减少。综上所述,本文基于浮点运算中浮点乘加对运算性能的的重要影响,对浮点融合乘加单元以及分离浮点乘加单元进行了研究比较,对于FMA单元能以较小的面积实现浮点乘加运算操作,但对于独立浮点乘加运算延迟较大,需要7拍。分离浮点乘加单元面积增加了,但是对于单独浮点加法和浮点乘法则延时较小,只需要4拍,降低了大约1/3。对于后续研究具有一定的指导作用。


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