1 功能概述
　　
　　位處理單元(Bit ManipulatiON unit,，BMU)主要由取指電路,、移位數(shù)據(jù)處理電路,、移位選擇處理電路、桶形移位電路和輸出電路等幾部分組成,。BMU的輸入數(shù)據(jù)是36位的BMUi,，經(jīng)過處理后輸出36位的數(shù)據(jù)BMUo作為DSP的一次運(yùn)算結(jié)果。

      本文設(shè)計(jì)的BMU是36位的,，主要功能包括邏輯/算術(shù)移位、取指,、歸一化等,，以下是對(duì)控制信號(hào)及相關(guān)功能較為詳細(xì)的描述。
　　
　　邏輯/算術(shù)左移 相應(yīng)的控制信號(hào)是in arithshf,，inleftshf,，in_shift。將36位數(shù)據(jù)左移,，低位補(bǔ)0,；

　　邏輯右移 控制信號(hào)同上，他執(zhí)行的是低32位數(shù)據(jù)右移,，同時(shí)高位補(bǔ)0,；

      算術(shù)右移 控制信號(hào)如上,，36位數(shù)據(jù)右移，高位由原最高位填充,；

      取指 控制信號(hào)是in_exp,，取36位數(shù)據(jù)的指數(shù)，也即冗余的符號(hào)位的個(gè)數(shù),；

      歸一化 控制信號(hào)是in_norm,，將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，得到去除冗余符號(hào)位后的結(jié)果,。
　　
      指數(shù)提取的目的是進(jìn)行類似于定點(diǎn)到浮點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,。一個(gè)定點(diǎn)數(shù)可以用一個(gè)包含尾數(shù)和指數(shù)的浮點(diǎn)數(shù)來表示，這樣可以提高數(shù)據(jù)的表示范圍,，同時(shí)使得定點(diǎn)DSP具有某種浮點(diǎn)運(yùn)算的能力,。取指的結(jié)果相當(dāng)于浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)，而歸一化的結(jié)果可以看成浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù),。這使得定點(diǎn)DSP能在不增加浮點(diǎn)算法開銷的情況下獲得某些浮點(diǎn)DSP的能力,。
　　
      2 單元電路設(shè)計(jì)
　　
      2.1 桶形移位器的設(shè)計(jì)
　　
      移位和歸一化操作都需要用到桶形移位器，因此桶形移位器是BMU的核心單元,。通常,，桶形移位器可以實(shí)現(xiàn)邏輯左移、右移,，算術(shù)左移,、右移等，一般為了減少晶體管和連線的數(shù)目以節(jié)省面積,，通常只實(shí)現(xiàn)左移或右移中的一種,。本文中只采用左移操作來實(shí)現(xiàn)桶形移位。設(shè)36位移位數(shù)據(jù)為BMUi,36位移位選擇信號(hào)為shfsel,，當(dāng)shfsel[i]為1時(shí),，桶形移位器的輸入數(shù)據(jù)(即經(jīng)過移位數(shù)據(jù)處理后得到的數(shù)據(jù))左移i位。
　　
      下面是實(shí)現(xiàn)右移的原理：
　　
      BMUi從高位到低位依次是BMUi[35],，BMUi[34],，…，BMUi[1],，BMUi[0],，BMUi重復(fù)排列兩次構(gòu)成72位數(shù)據(jù)BMUi[35]，BMUi[34],，…,，BMUi[1]，BMUi[0],，BMUi[35],，BMUi[34],，…，BMUi[1],，BMUi[0],，將72位數(shù)據(jù)經(jīng)過移位(左移)后的高36位作為桶形移位器的輸出。當(dāng)要求桶形移位器實(shí)現(xiàn)右移shfnum位時(shí),，只要將該72位數(shù)據(jù)左移(36-shfnum)位即可實(shí)現(xiàn),。當(dāng)然在實(shí)現(xiàn)移位操作時(shí)，必須對(duì)72位數(shù)據(jù)的高36位(右移時(shí))或低36位(左移時(shí))進(jìn)行處理,，這個(gè)處理過程在移位數(shù)據(jù)處理電路中將會(huì)介紹,。同時(shí)由于36位的shfsel最多只能選擇左移35位(shfsel[35]=1時(shí))，所以72位桶形移位器的輸入數(shù)據(jù)的中間2位可以合并成1位,，成為71位輸入數(shù)據(jù)(此時(shí)實(shí)現(xiàn)右移操作時(shí)應(yīng)該將71位數(shù)據(jù)左移35-shfnum位),。
　　
      移位的實(shí)現(xiàn)主要通過移位開關(guān)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。移位網(wǎng)絡(luò)(以8位移位數(shù)據(jù)為例,，則移位器的輸入數(shù)據(jù)需要處理成15位)的結(jié)構(gòu)如圖2所示,，他是一個(gè)NMOS傳輸管陣列，行數(shù)等于數(shù)據(jù)字長,，列數(shù)等于最大的移位數(shù),。這個(gè)移位器結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)信號(hào)至多只經(jīng)過一個(gè)傳輸管，移位的傳輸延時(shí)理論上是一個(gè)常數(shù),，并且與移位位數(shù)及移位器大小無關(guān),，同時(shí)結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，利于后端版圖實(shí)現(xiàn),。但是NMOS傳輸管在傳輸高電平時(shí)有一個(gè)閾值電壓損耗,，降低了電路的噪聲容限，因此需要在輸出端增加電平提升電路,。

      2.2 取指電路的設(shè)計(jì)
　　
      指數(shù)(exp)指的是冗余符號(hào)位的個(gè)數(shù),，他對(duì)于二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)的歸一化是十分重要的，歸一化是將原二進(jìn)制補(bǔ)碼左移exp位(也就是將冗余的符號(hào)位移出),，例如對(duì)于二進(jìn)制補(bǔ)碼00001100,，他冗余的符號(hào)位個(gè)數(shù)是3，所以exp=3,，歸一化就是將00001100左移3位的過程，即變成01100000,。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的BMU,，符號(hào)位是BMui[31]，如果高5位不完全相同,，則exp為負(fù)值,。表1列舉了幾個(gè)數(shù)據(jù)的例子,。

      指數(shù)的提取過程分成兩步：
　　
      (1)找出從BMUi[34]到BMUi[0]第一個(gè)與BMUi[35]不同的位i。
　　
      (2)對(duì)i進(jìn)行編碼,，得到指數(shù)值,。
　　
      第一步可以通過BMUi[35]與BMUi[34-i](i=0，1,，…,，33，34)異或來實(shí)現(xiàn),，找出第一個(gè)與BMUi[35]相異的位,。同時(shí)本級(jí)產(chǎn)生的移位選擇信號(hào)必須能夠屏蔽下一級(jí)的移位選擇信號(hào)信號(hào)。設(shè)BMUi[34-i]位與．BMUi[35]異或的結(jié)果記為XOR[i](i=0,，1,，2，…,，33,，34)，前一級(jí)產(chǎn)生的屏蔽信號(hào)為C[i-1],，這樣第i位(i=0,，1，2,，…,，33，34)的移位選擇信號(hào)可以表示成XOR[i]和C[i-1]的函數(shù),，指數(shù)選擇信號(hào)的最高位exp sel[35]可以表示成C[34]的反信號(hào),，這表示如果前35位屏蔽信號(hào)都為0，則屏蔽信號(hào)C[34]無效,，此時(shí)exp sel[35]=1,；如果前35位已經(jīng)有一個(gè)為1，則說明36位二進(jìn)制位中存在與BMUi[35]相異的位,，此時(shí)屏蔽信號(hào)C[34]有效,，exp-sel[35]被屏蔽。

　　屏蔽信號(hào)最多將會(huì)經(jīng)過30幾級(jí)傳輸門,，是取指電路的關(guān)鍵路徑,，經(jīng)過30幾級(jí)的傳輸門后，信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱,，延時(shí)較大,，不符合高性能DSP的要求?？梢钥紤]將這最長路徑打斷,，提高速度,。類似與超前進(jìn)位加法器的進(jìn)位傳遞，將屏蔽信號(hào)鏈打斷,，每4位提供一個(gè)超前屏蔽信號(hào),，用來屏蔽下一級(jí)的移位選擇信號(hào)，這樣隔斷了最長路徑,，提高了驅(qū)動(dòng)能力,，進(jìn)而提高取指電路的工作速度。
 2.3 移位選擇處理
　　
      移位選擇處理是根據(jù)移位數(shù)目shfnum和指數(shù)exp來產(chǎn)生移位選擇信號(hào)shfsel,。移位選擇處理過程主要是根據(jù)輸入控制信號(hào)(in norm,，in shift，in leftshf)以及移位數(shù)目shfnum和指數(shù)exp產(chǎn)生兩種信號(hào)：最終左移信號(hào)left和最終左移數(shù)目leftnum,。經(jīng)過分析,，left和leftnum都可以寫成輸入控制信號(hào)、指數(shù)exp和移位數(shù)目shfnum的邏輯表達(dá)式,。進(jìn)一步分析表明,，可以用6 b(因?yàn)樽罱K的移位選擇信號(hào)是36位，至少需用6位來表示)的加法器來產(chǎn)生leftnum,。最終移位信號(hào)left以及加法器的被加數(shù)addA,、加數(shù)addB和進(jìn)位c[i]的邏輯表達(dá)式(下式)。將leftnum進(jìn)行譯碼后就可以得到移位選擇信號(hào)shfsel,。

      2.4 移位數(shù)據(jù)處理
　　
      該處理過程主要是產(chǎn)生桶形移位器的71位輸入數(shù)據(jù)D[70:0],，將71位數(shù)據(jù)位分成兩部分，一部分叫原數(shù)據(jù)位(36位,，放置經(jīng)過處理的輸入數(shù)據(jù)),，另一部分叫擴(kuò)展數(shù)據(jù)位(35位，放置考慮了邏輯右移等的擴(kuò)展位),。由桶形移位器的原理可以知道,，當(dāng)最終左移信號(hào)有效(即left=1)時(shí)，D[70：35]為原數(shù)據(jù)位,，由原36位輸入數(shù)據(jù)填充,，低35位D[34：0]為擴(kuò)展數(shù)據(jù)位，用0來填充,。而當(dāng)最終左移信號(hào)無效(即left=0)時(shí),，此時(shí)需分兩種情況考慮：
　　
      (1)如果是算術(shù)移位，則D[35：0]為原數(shù)據(jù)位,，由原36位輸入數(shù)據(jù)填充,，而D[70：36]是擴(kuò)展數(shù)據(jù)位，由符號(hào)位擴(kuò)展形成；
　　
      (2)如果是邏輯移位,，此時(shí)是將原36位數(shù)據(jù)的低32位右移，高位補(bǔ)0,，鑒于此,，需要將原36位數(shù)據(jù)的高4位清零后賦給原數(shù)據(jù)位D[35：0]，高35位(即D[70：36])由0擴(kuò)展形成,。
　　
      由上述分析,，移位數(shù)據(jù)處理電路可以分成3部分設(shè)計(jì)：原36位輸入數(shù)據(jù)的高4位處理電路，擴(kuò)展數(shù)據(jù)位電路,，數(shù)據(jù)選擇電路,。

      3 電路模擬
　　
      電路模擬工作在Sun Fire V880 Solaris系統(tǒng)環(huán)境下完成，模擬采用CSMC.5單阱CMOS工藝模型,，環(huán)境溫度25℃,，工作電壓為5 V。電路模擬采用VCS+NanoSim混合仿真的方法進(jìn)行,，由VerilogHDL提供激勵(lì)給BMU的網(wǎng)表,。模擬結(jié)果如圖5所示：當(dāng)bmui=0x1478f73時(shí),exp=6，bmui=0x105fb31b4時(shí),，歸一化后bmuo=417ecc6d,當(dāng)bmui=0x603a09b12,，shfnum=7左移時(shí)bmuo=ld04d8900。這表明BMU功能符合設(shè)計(jì)目標(biāo),，同時(shí)測(cè)得BMU的最大延時(shí)是8.78 ns,，即極限工作頻率是114 MHz。NanoSim自動(dòng)生成的狀態(tài)記錄文檔指出本文設(shè)計(jì)的BMU共使用了4 527個(gè)晶體管,。

      4 結(jié) 語
　　
      本文設(shè)計(jì)了用于定點(diǎn)DSP的位處理單元電路,，他有效地實(shí)現(xiàn)了邏輯/算術(shù)移位、取指,、歸一化等操作,，解決了利用定點(diǎn)DSP進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的問題。該BMU包括桶形移位器,、取指電路,、移位數(shù)據(jù)處理電路和移位選擇處理電路等幾部分。在設(shè)汁取指電路時(shí),，借鑒超前進(jìn)位加法器中超前進(jìn)位的概念．采用了超前屏蔽,，將最長路徑打斷，提高了電路的工作速度,。另外,，該BMU僅包含4 527個(gè)晶體管，資源消耗較少，在5 V工作電壓下,，電路速度達(dá)到114 MHz,，完全符合高性能DSP的要求。