本文關(guān)鍵詞：高性能浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在通信、網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)測(cè)量與控制等領(lǐng)域,研究人員提出了許多信號(hào)處理算法,在其幾何運(yùn)算框架結(jié)構(gòu)中需要處理三角函數(shù)等基本函數(shù)的運(yùn)算問(wèn)題。在工程應(yīng)用的場(chǎng)合,浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算非常廣泛。高性能浮點(diǎn)三角函數(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在工程應(yīng)用中具有重大意義。本文對(duì)浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算的方法理論進(jìn)行了研究,基于BKM算法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件。文章的主要研究工作內(nèi)容及成果包括以下幾點(diǎn):1.基于BKM算法,提出了串行和并行兩種BKM執(zhí)行框架,用于浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件的核心功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)比分析包括CORDIC算法在內(nèi)的多種實(shí)現(xiàn)三角函數(shù)算法性能,本文選擇了算法性能更好的BKM算法來(lái)實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算功能。在對(duì)BKM算法計(jì)算三角函數(shù)的流程及計(jì)算流程中需要處理常值問(wèn)題的研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了融合查表法的串行和并行BKM執(zhí)行框架。串行BKM執(zhí)行框架的特點(diǎn)是各次迭代運(yùn)算循環(huán)使用同一套硬件資源迭代計(jì)算三角函數(shù),這一套迭代硬件資源主要包括加法器、移位器。這種串行執(zhí)行框架是以時(shí)間換取空間的方式節(jié)省了硬件消耗;并行BKM執(zhí)行框架的特點(diǎn)是各次迭代運(yùn)算使用各自不同的迭代運(yùn)算硬件資源在同一時(shí)鐘周期并行執(zhí)行,這種并行執(zhí)行框架是以空間換取時(shí)間的方式節(jié)省了硬件計(jì)算時(shí)間。2.基于BKM算法執(zhí)行框架,設(shè)計(jì)并使用Verilog硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件。該部件采用10級(jí)流水線結(jié)構(gòu),包括前處理單元、核心處理單元和后處理單元三大部分。前處理單元主要完成輸入弧度值數(shù)據(jù)由十進(jìn)制至十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,弧度值異常的檢測(cè),算法初始輸入值設(shè)定以及輸入弧度值預(yù)處理的工作。核心處理單元主要采用串并行BKM執(zhí)行框架完成三角函數(shù)的迭代運(yùn)算工作,它還完成溢出異常檢測(cè)功能。核心處理單元的核心迭代運(yùn)算功能采用這兩種執(zhí)行框架既可以加快迭代運(yùn)算速度又可以減少硬件資源大量消耗。后處理單元主要完成三角函數(shù)運(yùn)算結(jié)果輸出和報(bào)出異常處理結(jié)果的工作。并對(duì)由這三部分組成的整體部件進(jìn)行10級(jí)全流水設(shè)計(jì),對(duì)流水的關(guān)鍵路徑進(jìn)行了分析研究并對(duì)流水各站邏輯進(jìn)行了劃分。最后使用Verilog硬件描述語(yǔ)言完成了浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件的代碼編寫(xiě)工作。3.構(gòu)建功能驗(yàn)證環(huán)境,采用定向測(cè)試和隨機(jī)測(cè)試的方法分層次地對(duì)所設(shè)計(jì)三角函數(shù)運(yùn)算部件進(jìn)行了功能驗(yàn)證。使用模擬驗(yàn)證技術(shù)構(gòu)建驗(yàn)證環(huán)境對(duì)組成三角函數(shù)運(yùn)算部件的底層模塊進(jìn)行了模塊級(jí)功能驗(yàn)證,然后將底層模塊整合到整體功能部件中,構(gòu)建模擬功能驗(yàn)證環(huán)境對(duì)其進(jìn)行了功能部件級(jí)功能驗(yàn)證。為了使得驗(yàn)證盡量完備,在層次化功能驗(yàn)證過(guò)程中使用了手工生成激勵(lì)的定向測(cè)試和隨機(jī)測(cè)試的方法。設(shè)計(jì)通過(guò)了定向測(cè)試激勵(lì)和包括算法收斂合法和收斂區(qū)間外的弧度值激勵(lì)、特殊弧度值激勵(lì)等在內(nèi)的大量隨機(jī)測(cè)試激勵(lì)的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)功能正確。每拍輸入一個(gè)弧度值其中第一個(gè)輸入弧度值經(jīng)過(guò)10拍運(yùn)算得到輸出結(jié)果,然后每拍流出一個(gè)64位浮點(diǎn)雙精度三角函數(shù)運(yùn)算結(jié)果。目前,為實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算功能大多數(shù)研究者采用的是CORDIC算法,他們使用流水線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)CORDIC算法三角函數(shù)運(yùn)算功能,流水級(jí)數(shù)一般大于10級(jí),有的采用的是23級(jí)流水結(jié)構(gòu),并且多數(shù)實(shí)現(xiàn)的浮點(diǎn)三角函數(shù)部件用來(lái)處理32位浮點(diǎn)單精度數(shù)據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：高性能 浮點(diǎn) 三角函數(shù)運(yùn)算 BKM算法 查表法 執(zhí)行框架
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP332
【目錄】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 緒論12-16
• 1.1 研究背景與意義12-13
• 1.2 浮點(diǎn)運(yùn)算部件的發(fā)展13-14
• 1.3 論文研究?jī)?nèi)容14
• 1.4 論文的組織結(jié)構(gòu)14-16
• 第二章 三角函數(shù)算法理論研究16-27
• 2.1 三角函數(shù)算法16-23
• 2.1.1 查表法16
• 2.1.2 泰勒多項(xiàng)式級(jí)數(shù)逼近算法16-17
• 2.1.3 CORDIC算法17-20
• 2.1.4 BKM算法20-23
• 2.2 三角函數(shù)算法比較23-26
• 2.2.1 算法精度24
• 2.2.2 算法復(fù)雜度24-25
• 2.2.3 算法速度25-26
• 2.3 本章小結(jié)26-27
• 第三章 BKM算法執(zhí)行框架設(shè)計(jì)27-37
• 3.1 BKM算法的研究27-32
• 3.1.1 BKM算法執(zhí)行流程28-31
• 3.1.2 BKM算法的常值問(wèn)題31-32
• 3.2 BKM算法執(zhí)行框架32-36
• 3.2.1 串行BKM框架33-34
• 3.2.2 并行BKM框架34-36
• 3.3 本章小結(jié)36-37
• 第四章 浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件設(shè)計(jì)37-50
• 4.1 浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)37-39
• 4.1.1 浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件總體結(jié)構(gòu)37-38
• 4.1.2 浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件端口描述38-39
• 4.2 整體流水設(shè)計(jì)39-43
• 4.3 前處理單元設(shè)計(jì)43
• 4.4 核心處理單元設(shè)計(jì)43-47
• 4.5 后處理單元設(shè)計(jì)47-49
• 4.6 本章小結(jié)49-50
• 第五章 浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件功能驗(yàn)證50-58
• 5.1 浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算部件驗(yàn)證方法50-51
• 5.2 模塊級(jí)驗(yàn)證51-53
• 5.3 功能部件級(jí)驗(yàn)證53-57
• 5.3.1 驗(yàn)證環(huán)境搭建53-54
• 5.3.2 大量隨機(jī)測(cè)試54-57
• 5.4 本章小結(jié)57-58
• 第六章 結(jié)束語(yǔ)58-60
• 6.1 工作總結(jié)58
• 6.2 工作展望58-60
• 致謝60-61
• 參考文獻(xiàn)61-65
• 作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果65-66
• 附錄A 自然對(duì)數(shù)與反正切常數(shù)值表66-70

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本文編號(hào)：260179