陳 坤，唐小琦，宋 寶

(華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

0 引言

隨著FPGA 向高速，大容量，高集成度和低功耗方向的快速發(fā)展，相應(yīng)的EDA 軟件工具也日趨完善，提供了更多的數(shù)字信號處理IP 核，使得FPGA 在高速數(shù)字信號處理領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用［2］。

在FPGA 中對不同格式的數(shù)據(jù)進行運算時消耗的資源是不一樣的，合理轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的格式可以有效地降低資源的消耗，提高運算速度［3］。對于浮點數(shù)和整型數(shù)據(jù)，如果能在不同的地方運用不同的格式，可以用最少的資源和最快的速度實現(xiàn)相同的功能［4］。目前有很多基于FPGA 的浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成整型數(shù)據(jù)的研究和設(shè)計，但浮點和整型數(shù)據(jù)的混合運算卻未見報道。本文在研究浮點數(shù)和整型數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種浮點數(shù)和整型數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的方法，改進了一般浮點數(shù)運算中消耗資源較多和運算速度較慢的問題。

1 IEEE 754 浮點數(shù)標準

目前大多數(shù)高級語言(包括C)都是按照IEEE 754 的標準來規(guī)定浮點數(shù)的存儲格式［5］。IEEE 754用科學計數(shù)法以底數(shù)為2 的小數(shù)來表示浮點數(shù)，存儲格式分為三個部分:符號位(S)、指數(shù)位(E)和尾數(shù)位(M)。雙精度浮點數(shù)為8 字節(jié)，包含1 位符號位，11 位指數(shù)位和52 位尾數(shù)位;單精度浮點數(shù)為4字節(jié)，包含1 位符號位，8 位指數(shù)位和23 位尾數(shù)位，如圖1 所示。本文將重點分析單精度浮點數(shù)和32 位整型數(shù)據(jù)的混合運算［6］。

圖1 IEEE 754 單精度浮點數(shù)格式

單精度的指數(shù)使用正偏正值形式表示，偏移值為127，指數(shù)值減去偏正值即為實際的指數(shù)大小。指數(shù)值范圍為0 ～255，實際指數(shù)值范圍為－127 ～128。當指數(shù)為0 時且尾數(shù)不為0 時，則浮點數(shù)A = (－1)S×21－127×0. M，稱為非規(guī)格化數(shù);若指數(shù)和尾數(shù)都為0時，則表示的浮點數(shù)為0。若指數(shù)為255，尾數(shù)部分不為0 時，則表示的為非數(shù)值;若尾數(shù)部分也為0，則表示無窮大。尾數(shù)部分為23 位，為了尾數(shù)部分能表示更多一位的有效值，IEEE754 采用隱含尾數(shù)最高數(shù)位1(即這一位1 不表示出來)的方法，因此尾數(shù)實際上是24 位，但應(yīng)注意隱含的1 是一位整數(shù)(即位權(quán)位20)，在浮點格式中表示出來的23 位尾數(shù)是純小數(shù)并用原碼表示，尾數(shù)真值為:1 +尾數(shù)。即浮點數(shù)A =(－1)S×2E－127×1.M。

如01001110111100000111001111111110，符號位為0，即 為 正 數(shù)，指 數(shù) 為“10011101”，底 數(shù) 為“11100000111001111111110”。表示成二進制數(shù)即為1.11100000111001111111110 ×2157－127。

2 算法原理及推導過程

32 位有符號整數(shù)表示范圍為－ 2147483647 ～2147483647，32 位單精度浮點數(shù)表示范圍為3.4 ×10－38～3.4 ×1038，所以整數(shù)轉(zhuǎn)浮點數(shù)時不用擔心會溢出，但當單精度浮點數(shù)表示范圍超過整形數(shù)據(jù)表示范圍時，則會溢出，本算法設(shè)置了溢出標志位，用以表示是否溢出。

2.1 整型轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)

整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)只需求出浮點數(shù)的符號位S、指數(shù)位E、尾數(shù)位M。所求浮點數(shù)符號位與整形數(shù)據(jù)符號位相同。根據(jù)單精度浮點數(shù)的表示方法，隱含尾數(shù)最高位為1，且為整數(shù)，所以從第31 位開始檢測，檢測到1 時停止，并計其位于第幾位，其后的位數(shù)即為指數(shù)實際值，偏置后即可得指數(shù)位;其后的數(shù)值即為所求的尾數(shù)位。

例如，整型數(shù)據(jù)為00011000101010111101000010111001，為1 的最高位位于第29 位，將整型數(shù)據(jù)規(guī)整為1.1000101010111101000010111001 ×228，可計算出浮點數(shù)的指數(shù)部分E =28 +127 =155(10011011);由于尾數(shù)部分只有23 位，這里尾數(shù)位剩下28 位，故需對剩下5 位做舍入處理。在IEEE 754 標準中，舍入處理提供了4 中可選方法:就進舍入、朝0 舍入、朝+∞舍入和朝－∞舍入。這里采用就近舍入的方法，就近舍入的實質(zhì)就是通常所說的“四舍五入”。例如:尾數(shù)超過規(guī)定的23 位的多余數(shù)字是10100，多余位的值超過規(guī)定的最低有效值的一半，故最低有效位應(yīng)增1，若多余的5 位是01111，則簡單的截尾即可，對多余的5 位10000這種特殊情況:若最低有效位為0，則截尾;若最低有效位現(xiàn)為1，則向上進一位使其變?yōu)?。所以此例中要將最低有效位加1，使其變?yōu)?，得到尾數(shù)位M =10001010101111010000110。若剩下位數(shù)小于23 位，則低位補0［7］。

2.2 浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成整型

浮點數(shù)的符號位直接賦值給整數(shù)的符號位。取出浮點數(shù)中的指數(shù)值，根據(jù)浮點數(shù)的表示方法，減去偏置值后得到實際指數(shù)值n。然后從浮點數(shù)的尾數(shù)最高位開始，依次取出n 位，注意浮點表示法中隱含的尾數(shù)的最高位1，即實際整數(shù)為(n +1)位。若n≤23，則浮點數(shù)尾數(shù)部分中還有小數(shù)部分，這里采取四舍五入的方法舍去小數(shù)部分，若尾數(shù)部分取出高n 位后的最高位為1，則整數(shù)需加1;若為0，則保持不變。若n ＞23，則低位補0［8］。

例如浮點數(shù)為11001101110001010101111010000101，符號位S =1，指數(shù)位E =10011011(155)，尾數(shù)位M =10001010101111010000101。所求整型數(shù)據(jù)的符號位也為1，數(shù) 據(jù) 位 為N = 1. 10001010101111010000101 ×2155－127=11000101010111101000010100000。

3 FPGA 中算法的實現(xiàn)及仿真分析

考慮到實際應(yīng)用中，數(shù)值在很多情況下都是從串口獲得，并表現(xiàn)為ASCⅡ，故首先應(yīng)將ASCⅡ形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)進制的形式。轉(zhuǎn)換過程中采用標志位來判斷是整型轉(zhuǎn)浮點還是浮點轉(zhuǎn)整型。實現(xiàn)流程圖如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)換流程圖

首先判斷運算標志位，裁定進行何種運算。為0則進行整型轉(zhuǎn)浮點運算，為1 則進行浮點轉(zhuǎn)整型運算。整型轉(zhuǎn)浮點運算中，主要運用for 循環(huán)和左移操作來計算出浮點數(shù)的指數(shù)位和尾數(shù)位［1］。由于不用考慮溢出問題，故32 位整數(shù)都可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的浮點數(shù)。反之，在浮點轉(zhuǎn)整型運算過程中，就需要考慮到溢出問題，故設(shè)置溢出標志位，若溢出則置1，無溢出置0［9］。整數(shù)數(shù)據(jù)部分的計算同樣主要是運用VHDL 語言中的for循環(huán)和移位操作，最后也需進行四舍五入處理［10］。

4 仿真分析及實驗驗證

4.1 仿真分析

采用altera 公司的EP2C8Q208C8 作為測試平臺，開發(fā)工具為quartus ⅡVersion9.0。工程編譯完成后，耗費資源如圖3 所示。工作頻率為50MHz。

圖3 算法消耗的資源

圖4 整型轉(zhuǎn)換浮點數(shù)時序圖

圖5 浮點數(shù)轉(zhuǎn)換整型時序圖

圖6 三次樣條插補算法計算流程

圖7 理論曲線與實際插補軌跡對比

首先利用quartus 內(nèi)置的在線調(diào)試工具signaltap捕獲和顯示實時信號。整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)的時序圖如圖4 所示。

如圖4 所示，當標志位dir 為0 時，進行整型轉(zhuǎn)浮點的運算。如輸入數(shù)據(jù)為X”7839FF6B”時，實際轉(zhuǎn)換結(jié)果應(yīng)為X”4EF073FF”，從仿真軟件可驗證結(jié)果的正確性。另外從仿真軟件可以看出，轉(zhuǎn)換過程可在一個時鐘周期(即20ns)內(nèi)完成，具有很高的實時性。

浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成整型的時序圖如圖5 所示。當標志位為1 時，進行浮點轉(zhuǎn)整型的運算。如輸入數(shù)據(jù)為X”4C2A2AD5”時，實際轉(zhuǎn)換理論結(jié)果應(yīng)為 X”02A8AB54”，從仿真軟件可以看出實際結(jié)果與理論結(jié)果一致，并且 OV 為0，表示未溢出;當輸入”E38FD6AA”時，超出轉(zhuǎn)換范圍，故輸出X”80000000”，溢出標志位OV 置1。另外轉(zhuǎn)換過程也是在一個始終周期內(nèi)完成。

4.2 實驗驗證

通過將該算法運用到一種三次B 樣條曲線插補中來驗證。插補過程如圖6 所示。

通常，三次B 樣條曲線的方程為f(t)=R0t3+R1t2+R2t+R3，式中t∈［0，1］為無綱量參數(shù)。為了計算曲線參數(shù)R0、R1、R2該算法將插補過程分為精插補和粗插補兩部分。在FPGA 中整型的乘加運算可以在一個周期內(nèi)完成，將計算分成整型和浮點兩個部分可以有效的提高計算速度，消除在浮點計算過程中的精度丟失。

將該算法下載到FPGA 中，插補完成的數(shù)據(jù)和擬合曲線如圖7 所示。

下面給出三次B 樣條插補在ARM 和FPGA 中實現(xiàn)的速度比較。測試環(huán)境為:ARM 為920T ARM 處理器，頻率為300MHz;FPGA 為EP2C8Q208C8，頻率為50MHz。實驗結(jié)果表明FPGA 中數(shù)據(jù)處理的效率遠高于在ARM 中，結(jié)果如表1 所示。

表1 三次樣條插補算法在ARM 和FPGA 中實現(xiàn)的速度比較

5 結(jié)束語

本文采用Quartus 軟件平臺，選用Altera 公司的EP2C8Q208C8 芯片，采用VHDL 硬件描述語言，對算法進行了功能仿真驗證和實驗驗證。從實驗結(jié)果看，能實現(xiàn)32 位整數(shù)與單精度浮點數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換;在系統(tǒng)時鐘為50MHz 的情況下，轉(zhuǎn)換所用時間約為0.02μs，完全可以滿足非特殊情況下的高速數(shù)字信號處理。本文算法可以很容易的根據(jù)實際整數(shù)的范圍和精度進行調(diào)整，并且可以推廣到其他浮點格式，可通過合理的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式有效地提高數(shù)據(jù)處理速度和減少所占資源。

［1］姜雪松，劉東升. 硬件描述語言VHDL 教程［M］. 西安:西安交通大學出版社，2004.

［2］王紅，彭亮，于宗光. FPGA 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］. 電子與封裝，2007(7):32－37.

［3］李宏鈞，胡小龍. 流水線的FPGA 低功耗設(shè)計［J］. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19(8):234－237.

［4］張小新，魏厚龍. FPGA 技術(shù)及開發(fā)方式概述［J］. 山西電子技術(shù)，2008(5):86－87.

［5］周磊，成開友，孫宏國. 單精度浮點數(shù)到十進制數(shù)轉(zhuǎn)換的IP 核設(shè)計［J］. 鹽城工學院學報，2011(1):56－60.

［6］WAHAN W. IEEE Standard 754 for binary floating-point arithmetic. Lecture Notes on the status of IEEE 754［P］.1997－10－01.

［7］唐小明，張濤，王貞杰. 一種新的基于FPGA 的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方法［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(8):110－112.

［8］王元良，李允俊. 基于ARM 的浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)的改進算法［J］. 信息技術(shù)，2007(12):18－19.

［9］韓進，程勇，齊現(xiàn)英. VHDL 在數(shù)字集成電路中的應(yīng)用［J］. 山東科技大學學報，2003，22(4):74－77.

［10］張小妍，邵杰. 高速浮點單元的FPGA 實現(xiàn)［J］. 信息化研究，2009，35(11):24－27.