双通道前导1预判模块的全定制版图设计方法研究

　　摘要：前导1判断模块是浮点加法运算中不可缺少的部分， 在运算结果产生之前就对运算结果进行预测的方式叫做前导1预判， 相应的电路叫前导1预判电路。经过改进的双通道前导1预判电路与单通道运算结构相比具有更高的运算速度， 而全定制的版图设计方法具有减小单元面积和时延的优点， 用全定制版图设计的方法来设计双通道前导1预判模块， 能够进一步提高其性能。

　　关键词：浮点运算； 前导1; 双通道； 旁路逻辑； 全定制； 版图设计

　　Abstract:The leading-one prediction is part of the floating point adder.The leading-one prediction algorithm is based on leading-one prediction. The position of the loading-one can be predicted by two paths, and for some operators, the speed of operation can be accelerated and the power consumption can be lower. The full-custom layout design can potentially maximizes the performance of the circuit, and minimizes its area.

　　Keyword:floating-point eading-one; two-path; bypass-logic; full-custom; layout design;

　　引言

　　前导1预判电路是浮点运算中不可缺少的一部分， 其原理是将先导1位置的判断与加/减法运算同步进行， 而不必等到加/减法运算完成以后再根据其结果进行判定。在运算速度上， 采用前导1预判电路的浮点运算单元比采用前导1判定电路的单元具有更大的优势。在前导1预判电路中， 通过增加一个通道可以减少部分操作数的预判时间， 进一步提高电路的运算速度[1].全定制版图设计方法具有减少版图面积和时延的优点， 将全定制版图设计方法用于双通道前导1预判电路中， 能够进一步提高电路的性能。

　　1 双通道前导1预判模块的原理[1]

　　浮点操作数都是规格化数， 在浮点减法运算中， 当有借位的情况发生时， 先导1的位置是不确定的， 这就需要使用预判模块来进行判断。， 而在浮点加法运算中， 先导1的位置是不需要判断的， 因为除了溢出异常之外， 先导1的位置一定是第一个非符号数。

　　通过研究浮点数减法运算的几种情况， 可以得到前导1位置与操作数前三位取值的关系对应表， 如表1所示。在表中， A和B是不考虑符号位的两个操作数， 且均为补码形式， 因此对减法运算所做的研究都是基于补码的加法运算来进行的。

　　通过表1中对浮点运算的分析可以发现我们将浮点运算分成两个运算通道， 能够通过操作数的前三位确定前导1位置的操作数通过旁路逻辑， 而其他操作数通过传统前导1预判逻辑， 该算法如图1所示。

　　图1 双通道前导1预判模块的逻辑算法Fig.1 The algorithm of the leading-one prediction circuit by two path   

　　2 双通道前导1预判模块的全定制版图设计

　　在双通道前导1预判模块中， 操作数判断逻辑的电路和旁路逻辑的电路如图2 （a） 和 （b） 所示[1].在图中可以发现反相器、4输入与门、3输入与门、2输入与门等门电路在电路结构图中多次被使用， 那在进行全定制版图设计的时候可以将这些单元做成基本单元， 调用时只需要按照需求调节其大小， 然后按照要求拼接出所需要的电路， 这样可以减少大量重复劳动， 提高画图的效率。

　　表1 前导1的位置与操作数前三位取值情况关系表Tab.1 The relationship between the position of the leading-one and the value of the first three bits of the operand

　　图2 （a） 操作数判断逻辑电路结构图Fig.2 （a） The circuit of the leading-one judgement circuit 

　　图2 （b） 旁路逻辑电路结构图Fig.2 （b） The circuit of the bypass logic 

　　用全定制方法进行版图设计的时候， 首先要确定单元的高度， 所有基本单元具有同样的高度， 这样便于拼接， 另外还好确定金属线的走向和分布， 如在图3的3输入与门中， 所有的金属2都是纵向走线， 且按照设计规则的要求进行间隔， 在需要用到金属2的时候， 只要找附近的金属2进行连接， 其余没有用到的金属2可以删除， 这样可以保证布线间距满足设计规则的要求且具有最高的利用率。由于在进行版图拼接的时候阱接触和衬底接触不能重叠， 所以在进行单元设计的时候要考虑到拼接后的位置关系， 为相邻的单元的阱接触和衬底接触预留出位置， 如图3所示。

　　图3 3输入与门版图实现Fig.3 The layout of the 3 inputs nand gate   

　　单元版图设计完成后可以按照电路结构图拼接版图， 如图4所示， 在拼接的时候要考虑到布局的"艺术性", 版图设计不仅是一项技术， 同时也是一门艺术， 好的布局和布线能够给人以美感， 当然这要在保证布局的合理性和布线尽可能短的前提下完成的。

　　图4 拼接好的操作数判断逻辑电路的版图Fig.4 The layout of leading-one judgement circuit 

　　3 版图的验证

　　版图布局和连线完成后还要进行设计规则检查 （DRC） 和电路图与版图对比验证 （LVS） , 在进行设计的时候， 首先要保证单元版图通过这两项验证， 然后才能进行拼接， 拼接后的版图要再进行一次DRC和LVS检查， 如果发现错误， 基本可以确定是在进行拼接和连线的时候出现问题， 而单元内部没有问题， 这种分层设计便于查找错误。

　　4 结束语

　　本文对双通道前导1预判电路的版图全定制设计方法进行了研究， 利用全定制的版图设计能够减少版图的面积， 进一步提高电路模块的性能。

　　参考文献

　　[1]王颖。改进溢出判断电路的设计与仿真研究[J].电子技术应用。2012.05:49-51.WANG Ying.Research on design and simulation of an improved overflow judgment circuit[J].Application of Electronic Technique 2012.05:49-51 （in Chinese）

　　[2]Behrooz Parhami.computer Arithmetic-Algorithms and Hardware Designs[M].Oxford University Press, 2000

　　[3]李笑盈。浮点加法运算器前导1预判电路的实现[J].计算机工程与应用。2002, 21:142-143LI Xiaoying.The Design of Leading-One Prediction in Floating-Point Adder[J].Computer Engineering and Applications.2002, 21:142-143 （in Chinese）