高性能定点DSP位处理单元(BMU)设计

34)的移位选择信号可以表示成XOR[i]和C[i-1]的函数，指数选择信号的最高位exp sel[35]可以表示成C[34]的反信号，这表示如果前35位屏蔽信号都为0，则屏蔽信号C[34]无效，此时exp sel[35]=1；如果前35位已经有一个为1，则说明36位二进制位中存在与BMUi[35]相异的位，此时屏蔽信号C[34]有效，exp-sel[35]被屏蔽。综上所述，得到第i级的指数选择信号exp-sel[i]和提供给下一级的屏蔽信号C[i]如下式所示，设计电路如图3所示。

由图3可以看出，屏蔽信号最多将会经过30几级传输门，是取指电路的关键路径，经过30几级的传输门后，信号驱动能力较弱，延时较大，不符合高性能DSP的要求。可以考虑将这最长路径打断，提高速度。类似与超前进位加法器的进位传递，将屏蔽信号链打断，每4位提供一个超前屏蔽信号，用来屏蔽下一级的移位选择信号，这样隔断了最长路径，提高了驱动能力，进而提高取指电路的工作速度。

指数选择信号产生后，只要经过相应的编码就可以得到相关的指数值(二进制补码)，编码表如表2所示。

2.3 移位选择处理

移位选择处理是根据移位数目shfnum和指数exp来产生移位选择信号shfsel。移位选择处理过程主要是根据输入控制信号(in norm，in shift，in leftshf)以及移位数目shfnum和指数exp产生两种信号：最终左移信号left和最终左移数目leftnum。经过分析，left和leftnum都可以写成输入控制信号、指数exp和移位数目shfnum的逻辑表达式。进一步分析表明，可以用6 b(因为最终的移位选择信号是36位，至少需用6位来表示)的加法器来产生leftnum。最终移位信号left以及加法器的被加数addA、加数addB和进位c[i]的逻辑表达式(下式)。将leftnum进行译码后就可以得到移位选择信号shfsel。

2.4 移位数据处理

该处理过程主要是产生桶形移位器的71位输入数据D[70:0]，将71位数据位分成两部分，一部分叫原数据位(36位，放置经过处理的输入数据)，另一部分叫扩展数据位(35位，放置考虑了逻辑右移等的扩展位)。由桶形移位器的原理可以知道，当最终左移信号有效(即left=1)时，D[70：35]为原数据位，由原36位输入数据填充，低35位D[34：0]为扩展数据位，用0来填充。而当最终左移信号无效(即left=0)时，此时需分两种情况考虑：

(1)如果是算术移位，则D[35：0]为原数据位，由原36位输入数据填充，而D[70：36]是扩展数据位，由符号位扩展形成；

(2)如果是逻辑移位，此时是将原36位数据的低32位右移，高位补0，鉴于此，需要将原36位数据的高4位清零后赋给原数据位D[35：0]，高35位(即D[70：36])由0扩展形成。

由上述分析，移位数据处理电路可以分成3部分设计：原36位输入数据的高4位处理电路，扩展数据位电路，数据选择电路。分别设计这3部分电路如图4所示。

3 电路模拟

电路模拟工作在Sun Fire V880 Solaris系统环境下完成，模拟采用CSMC.5单阱CMOS工艺模型，环境温度25℃，工作电压为5 V。电路模拟采用VCS+NanoSim混合仿真的方法进行，由VerilogHDL提供激励给BMU的网表。模拟结果如图5所示：当bmui=0x1478f73时,exp=6，bmui=0x105fb31b4时，归一化后bmuo=417ecc6d,当bmui=0x603a09b12，shfnum=7左移时bmuo=ld04d8900。这表明BMU功能符合设计目标，同时测得BMU的最大延时是8.78 ns，即极限工作频率是114 MHz。NanoSim自动生成的状态记录文档指出本文设计的BMU共使用了4 527个晶体管。

4 结 语

本文设计了用于定点DSP的位处理单元电路，他有效地实现了逻辑/算术移位、取指、归一化等操作，解决了利用定点DSP进行浮点运算的问题。该BMU包括桶形移位器、取指电路、移位数据处理电路和移位选择处理电路等几部分。在设汁取指电路时，借鉴超前进位加法器中超前进位的概念．采用了超前屏蔽，将最长路径打断，提高了电路的工作速度。另外，该BMU仅包含4 527个晶体管，资源消耗较少，在5 V工作电压下，电路速度达到114 MHz，完全符合高性能DSP的要求。