高速流水线浮点加法器的FPGA实现

(3)sum模块

本模块可根据加减选择(sft_addsub(信号完成两输入浮点数尾数(已加入隐含1)的加减，若sft_bexp、sft_sma、sft_bma、sft_csgn、sft_addsub为输入信号(其含义见shift模块)，则可输出如下运算结果(在一个时钟周期内完成)：

◇大数指数(sum_bexp)，将sft_bexp信号用寄存器延迟一个周期，以实现时序同步；

◇尾数和(sum_ma)，为大数尾数与移位后小数尾数的和，差(两尾数已加入隐含1)；

◇和符号(sum_csgn)，将sft_csgn信号用寄存器延迟一个周期，以实现时序同步；

(4)normalize模块

normalize模块的作用主要是将前三个模块的运算结果规范为IEEE 754单精度浮点数标准，若sum_bexp、sum_ma、sum_csgn为输入信号(其含义见sum模块)，则其输出的运算结果(在一个时钟周期内完成)只有一个和输出(data_out)，也就是符合IEEE754浮点数标准的两个输入浮点数的和。

4 系统综合与仿真

由于本工程是由compare、shift、sum、normalize四个模块组成的，而这四个模块通过串行方式进行连接，每个模块的操作都在一个时钟周期内完成，因此，整个浮点数加法运算可在四个时钟周期内完成。这使得工程不仅有确定的数据运算时延(latency)，便于流水线实现，而且方便占用的时钟周期尽可能减少，从而极大地提高了运算的实时性。

4.1 工程综合结果

经过Quartus II综合可知，本设计使用的StratixⅡEP2S15F484C3芯片共使用了641个ALUT(高级查找表)、188个寄存器、0位内存和可达到80 MHz的时钟频率，因此可证明，本系统利用合理的资源实现了高速浮点数加法运算。

4.2 工程仿真结果

本工程仿真可使用Quartus II 8.0内嵌式仿真工具来编写Matlab程序，以生成大量随机单精度浮点数(以便于提高仿真代码覆盖率，提高仿真的精确度)，然后计算它们相加的结果，并以文本形式存放在磁盘文件中。编写Matlab程序可产生作为仿真输入的*．vec文件，然后通过时序仿真后生成*．tbl文件，再编写Matlab程序提取其中有用的结果数据，并与先前磁盘文件中的结果相比较，以验证设计的正确性。   

图3所示是其仿真的波形图。



从图3可以看出表1所列的各种运算关系。表2所列为其实际的测试数据。





表中“A+B实数表示(M)”指Matlab计算的结果；“误差”指浮点处理器计算结果与Matlab计算结果之差。

综上所述，本工程设计的浮点加法器所得到的运算结果与Matlab结果的误差在10-7左右，可见其精度完全能够符合要求。

5 结束语

本工程设计完全符合IP核设计的规范流程，而且完成了Verilog HDL建模、功能仿真、综合、时序仿真等IP核设计的整个过程，电路功能正确。实际上，本系统在布局布线后，其系统的最高时钟频率可达80MHz。虽然使用浮点数会导致舍入误差，但这种误差很小，可以忽略。实践证明，本工程利用流水线结构，方便地实现了高速、连续、大数据量浮点数的加法运算，而且设计结构合理，性能优异，可以应用在高速信号处理系统中。