Aritmetiikan toteutustapoja integroiduissa CMOS-digitaalipiireissä

Abstract

Kohdeyritys kehittää ja valmistaa innovatiivisia digitaaliseen signaalinkäsittelyyn suuntautuvia mikropiirejä. Mikropiirien suorituskykyä rajoittaa useimmiten piirin laskennan aritmetiikkaosien suurin nopeus, ja samalla aritmetiikkaan liittyvät lohkot käyttävät suuren osan piirin pinta-alasta. Työn tavoitteena oli selvittää erilaisiin sovelluksiin parhaiten soveltuvia aritmetiikkatoteutuksia.Tässä työssä esiteltiin erilaisia tapoja toteuttaa aritmeettiset operaatiot yhteenlasku ja kertolasku integroiduissa digitaalipiireissä toteutettavissa järjestelmissä. Eri yhteenlasku- sekä kertolaskurakenteiden nopeus, tehonkulutus, sekä niiden tarvitsema pinta-ala oli tarkastelun kohteena. Lisäksi bittisarja- ja rinnakkaislaskennan ominaisuuksia tarkasteltiin.Työssä selvitettiin lyhyesti digitaalipiirien toimintanopeuteen ja tehonkulutukseen vaikuttavia asioita. Yhteenlaskutoteutusten esittely aloitettiin yhteenlaskun peruskomponentin kokosummaimen (full adder, FA) erilaisten toteutusten tarkastelulla. Summainsolun muistinumeropolun nopeutta optimoimalla nopeutuvat useat rinnakkaissummainrakenteet huomattavasti. Rinnakkaisesti yhteen laskevista summainrakenteista esiteltiin, toteutettiin ja simuloitiin ripple-summaimen lisäksi muistinumeron ohitussummain, muistinumeron valintasummain ja muistinumeron esilaskentasummain. Lisäksi esiteltiin useita edellisistä rakenteista rakennettuja yhdistelmäsummaintekniikoita, joiden ansiosta yhteenlasku suoriutuu nopeammin. Usean luvun yhtäaikaisen yhteenlaskun tehokkaasti mahdollistaa muistinumerovektorisummain Wallace-puurakenteena, jonka tyypillinen käyttökohde on kertojassa.