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集成电路设计中乘法器的实现技术研究

摘要】在集成电路的设计中,功耗问题已经成为这一领域内除面积、速度外要慎重考虑的重要因素。当前,功耗低的设计基本上是从电路的基本构成因素入手,设计时在不同环节都使用不同设计,进而使系统的功耗得到降低,以便尽可能取得最大的低功耗。

【关键词】集成电路;设计;乘法器;低功耗算法;实现技术

一、引言

低功耗设计一般可以分成两种:动态和静态技术。静态化技术一般是从系统的构造与工作原理出发,使系统的功耗得到降低,比如选择低功耗的器件;动态化技术主要是使系统运行得到改变来降低功耗,比如按照实际运行情况对器件的工作状态进行调节。

二、定点乘法运算优化

目前,集成电路的设计中,定点乘法运算一般都使用移位相加算法逻辑,具有方便理解、简单和直接的优点,但是缺陷也很明显,运算的效率比较低,需要数量很多的硬件设备,占用的资源也比较多。在普通的移位相加算法内,每位乘数都会出现积,运算量比较大,事实上,如果某位乘数是0,就不需要开展累加性的运算,所以累加器完成次数要和乘数中值是1的位数有明确关系,如果可以降低中值是1的位数,就能够降低需要运算的累加次数。1、BOOTH算法思想。就是使乘数和某一较大整数相近,然后借助这一整数和被乘数之积,减去对应数值补码和被乘数乘积来计算,能够提升运算的效率。BOOTH算法被称作补码移位算法,符号位是参与到运算的,运算数都借助补码进行表示。乘数的末位会增加附加位,初值是0。对乘数的最末两位进行观察,00对部分积进行向右移动移位的操作,01则对部分积的被乘数相加然后取其补码,结果向右移动一位,10则对部分积的被乘数相减,取其补码,结果向右移动一位,11则直接额对部分积执行向右移动一位的操作。根据上述算法,对n+1步进行操作,那么第n+1不就不用在位移,最终的结果就是运算的结果。2、定点乘法运算中乘法系数优化的算法。以BOOTH算法那为基础,还有一种更先进的算法,属于三元数值系统,能够降低硬件结构的复杂性,如果乘数系数是2的整数次幂时,乘法能够借助移位实现,这就使占用的硬件资源得到降低。为了降低系数二进制表示内非零位个数,通常使用带符号的二进制对整数进行表示。这一方法的优点如下:只利用了加法和位移,整个算法过程是以非零位不同的位置为基础,和其他的算法比较起来,更加准确,有限的字长也没有对程度有太大的影响。3、数字滤波器编码的优化。设计芯片时,为了使类型不同的数字滤波器能够尽量降低面积,并加快速度,发展出一些优秀数乘与编码算法。先对信号进行处理时,首先会从模数转换器内输出,然后把信号由高频率载波信号降低到基带信号并解调,要想得到理想的信号需要不同阶段滤波。包括把较高采样率降低到降低采样率,然后借助解调转换至基带的频率,基带信号的频率比采样的频率范围低,因此借助抽取滤波器进一步抽取信号,进而得出有用信号。

三、集成电路设计中乘法器低功耗实现技术

1、编码优化算法实现技术。首先,可以把编码优化算法实现成一个VHDL函数,然后存进库中和乘法器进行分离。接着,对乘法器的木块进行设计和优化,最后算出乘法运算的结果并输出。在模块的内部,对编码优化函数进行调用,将优化乘法器类属参数当做这一函数的输入,输出的结果中,三个变量分别表示三个常数。优化的结果使用常数来表示,原因为在乘法器的综合初期,上述三个常数能够按照优化函数的计算而得出,进行综合之后,乘法器按照这三个常数就能够转化成对应移位加的结构,而且对加法的结果进行计算,这是优化算法的逻辑单元是在库中保存的,不会算进优化之后的乘法器。为了对这一技术优化的效果进行验证,可以将相同射频的模块当做测试的平台,在模块内全部乘法器都被优化乘法器的模块替代后,导入RTL的代码,对功耗结果进行分析,发现总功耗和逻辑单元都有所下降,面积也有所降低。在对硬件进行测试时,使用编码优化算法对射频模块进行匹配开展测试,结果显示逻辑占用率是4.5%,产生寄存器的总数是13559,存储单元的占用率是4.6%。2、缺省优化算法实现技术研究。根据缺省优化算法模式,用VHDL函数的形式和小数乘法器相分离并存进库中。对优化乘法器的模块进行设计,在进行综合的初期,常数是由优化算法经过计算而得出的,在进行综合之后,乘法器按照常数就能够转化成对应移位加结构,并开展右移缺省操作,计算的结果在小数化处理之后从模块的输出端内输出。经过实验,发现总功耗有所降低,面积也有降低。

结语

综上所述,集成电路设计中乘法器的低功耗算法与实现技术具有重要意义,需要引起相关人员的重视,不断对这一技术进行改进与完善,切实发挥出低功耗算法的作用,进而促进集成电路设计技术的发展。

参考文献

[1]袁博.集成电路设计中乘法器的低功耗算法与实现技术研究[D].西安电子科技大学,2012.

[2]职称论文期刊袁博,刘红侠.定点小数乘法器的低功耗算法与实现技术[J].中南大学学报自然科学版,2014(1):132-141.

作者:李冬冬 单位:合肥工业大学


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