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Xilinx Vivado HLS中Floating-Point（浮点）设计介绍
编码风格与技巧
尽管通常Fixed-Point（定点）比FloaTIng-Point（浮点）算法的FPGA实现要更快，且面积更高效，但往往有时也需要FloaTIng-Point来实现。
这是因为Fixed-Point有限的数据动态范围，需要深入的分析来决定整个设计中间数据位宽变化的pattern，为了达到优化的QoR，并且要引入很多不同类型的Fixed-Point中间变量。
而FloaTIng-Point具有更大的数据动态范围，从而在很多算法中只需要一种数据类型的优势。
Xilinx Vivado HLS工具支持C/C++ IEEE-54标准单精度及双精度浮点数据类型，可以比较容易，快速地将C/C++ FloaTIng-Point算法转成RTL代码。
与此同时，为了达到用户期望的FPGA资源与性能，当使用Vivado HLS directives时需要注意C/C++编码风格与技巧相结合。
编码风格
1.1 单双精度浮点数学函数
#include
float example（float var）
{
return log（var）; // 双精度自然对数
}
在C设计中，这个例子，Vviado HLS 生成的RTL实现将输入转换成双精度浮点，并基于双精度浮点计算自然对数，然后将双精度浮点输出转换成单精度浮点。
#include
float example（float var）
{
return logf（var）; // 单精度自然对数
}
在C设计中，logf才是单精度自然对数，这个例子Vviado HLS 生成的RTL实现将基。
DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2019.04.13总第178期2019年第4期Total of 178No.4，2019工业设计收稿日期：2019-02-06作者简介：张明栋（1987—），男，硕士，工程师，现从事宇航电子设备设计工作。
一种基于DSP 的高可靠星载浮点计算平台的设计张明栋（上海航天电子技术研究所，上海201109）摘要：在对国内外常见星载计算机设计特点进行分析的基础上，提出了一种基于三模冗余的星载浮点计算星载系统。
该系统采用通用DSP 作为核心处理模块，利用FPGA 作为接口桥片，增加了对外部通讯协议的适应性和硬件可扩展性。
同时给出了在轨故障预案，分析表明该设计可以有效解决在轨的潜在单粒子故障或其他软硬件故障。
关键词：星载计算机;浮点计算;高可靠中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号：2095-0748（2019）04-0032-02现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and Informationization 引言航天领域是未来竞争的至高点，航天工业具有高投入、高风险和高收益并存的特点。
星载计算机作为航天器上的核心设备之一，主要用于卫星姿态及轨道控制、数据处理和星务管理等。
传统星务管理对处理器的浮点运算能力要求并不高，主要强调系统可靠性和空间环境适应性。
随着人工智能技术、高级在轨系统和数据高速传输技术的蓬勃发展，空间应用对高性能浮点计算需求上升。
高可靠浮点运算能力逐渐成为未来星载计算平台的的一个迫切需求。
地面的商业或工业级高性能浮点处理器并不具备空间适应性，无法直接应用于星载计算机。
本文中提出的“高可靠星载浮点计算平台”借鉴了当前普遍采用的冗余技术，利用三模冗余和三取二等通用措施，实现了星载计算机的抗辐射加固设计与高性能设计的平衡。
本设计方案使用FPGA 和高性能数字信号处理芯片组建一种多处理器高性能星载计算机平台，并给出了在轨故障预案。
一种高性能浮点DSP芯片TMS320C6713及其最小系统的设计TMS320C6713是美国德州仪器公司(TI)继TMS320C62X系列定点DSP芯片后开发的一种32 bit新型浮点DSP芯片,该芯片的内部结构在TMS320C62X基础上改进，具有如下革命性的特点：(1)处理速度快，工作主频最高可达到300 MHz，峰值运算能力为2 400 MIPS/1 800 MFLOPS；(2)硬件支持IEEE格式的32 bit单精度与64 bit双精度浮点操作；(3)集成了32×32 bit的乘法器，其结果可为32 bit或64 bit；(4)TMS320C62X指令无需任何改变即可在TMS320C6713上运行。
1结构特点TMS320C6713是TI新推出的高速浮点DSP，工作主频200 MHz，其单指令执行周期仅5 ns；具有强大的定点浮点运算能力，运算速度可达1 600 MIPS/1 200 MFLOPS。
与TMS320其他系列DSPs相比，C6000系列DSPs最主要的特点是在体系结构上采用了VelociTI超长指令字VLIW(Very long Instruction Word)结构，VLIW体系结构中，是由一个超长的机器指令字来驱动内部的多个功能单元的（这也是VLIW名字的由来）。
每个指令字包含多个字段（指令），字段之间相互独立，各自控制一个功能单元，因此可以单周期发射多条指令，实现很高的指令级并行效率。
C6000的VLIW采用了类RISC指令集，使用大统一的寄存器堆，结构规整，具有潜在的易编程性和良好的编译性能，在科学应用领域可以发挥良好的性能。
TMS320C6713是一种支持浮点运算的DSP芯片，是德州仪器公司设计的用于高端处理的长指令、多功能的DSP芯片。
其内部结构功能模块如图1所示，它主要包括中央处理器CPU、片内存储器和片内集成外设3部分。
1.1 CPU内核的功能单元TMS320C6713的CPU是最新采用VelociTI体系结构的DSP芯片。
FPU浮点运算详解：原理、应用与性能优化一、引言在现代计算机科学中，浮点运算（Floating-point arithmetic）的地位日益凸显。
无论是科学计算、图形渲染、人工智能还是大数据分析，都离不开高效精确的浮点运算。
而浮点运算单元（Floating-point Unit，简称FPU）则是实现这一运算的重要硬件组件。
本文将深入探讨FPU 浮点运算的原理、应用及性能优化。
二、FPU浮点运算原理FPU是一种专门用于处理浮点数的硬件单元。
浮点数是一种表示实数的数值类型，由尾数（mantissa）和指数（exponent）两部分组成，可表示范围大且精度高的数值。
FPU通过一系列复杂的电路设计和算法实现浮点数的加减乘除、平方根、倒数等运算。
三、FPU浮点运算应用1. 科学计算：科研工作中往往需要处理大量高精度浮点数，如天气预报、物理模拟、化学计算等。
FPU的存在大大提高了科学计算的效率和精度。
2. 图形渲染：三维图形渲染中的光照、阴影、反射等效果需要大量浮点运算来实现。
游戏、电影等产业的繁荣发展，离不开FPU的强大支持。
3. 人工智能：深度学习、机器学习等人工智能领域对浮点运算的需求巨大。
模型训练、推理等过程涉及大量矩阵运算，而FPU是实现这些运算的关键硬件。
4. 大数据分析：在大数据处理中，浮点运算常用于统计分析、趋势预测等场景。
FPU的性能直接影响大数据分析的效率。
四、FPU性能优化1. 算法优化：针对特定问题，设计高效的浮点运算算法，减少不必要的运算操作，从而提高FPU的运算效率。
2. 并行计算：利用多核处理器或分布式系统，将大规模的浮点运算任务分解为多个小任务并行处理，降低单个FPU的负载，提高整体运算速度。
3. 硬件升级：采用更先进的FPU硬件设计，提高浮点运算的时钟频率、增加运算精度，直接提升FPU性能。
4. 软件优化：编译器优化能减少浮点运算的指令数和相关内存访问，从而成倍地提升性能。
基于FPGA的浮点运算器IP核的设计与实现摘要
本文介绍了基于FPGA的浮点运算器IP核的设计与实现。
在实现过程中，我们采用Verilog HDL实现了一个32位浮点运算器的IP核，它能提
供执行加法、减法、乘法、除法以及规范化的功能，并具有很高的精确度。
在Xilinx FPGAs上实现，该IP核实现了高性能和可靠性。
实验结果表明，这种FPGA浮点运算器IP核的性能可以满足各种应用需求。
关键词：FPGA；浮点运算；IP核；Verilog HDL
1. Introduction
随着技术的发展，浮点运算在计算机体系结构中越来越重要。
它不仅
可以提高运算精度，而且可以准确表达计算机的结果。
为了实现高质量的
数字信号处理（DSP）系统，FPGA浮点运算器IP核变得越来越重要。
FPGA的浮点运算器IP核提供了一个高性能、可靠的实现环境，使得
浮点运算器在DSP系统中得以良好的应用。
此外，基于FPGA的浮点运算
器IP核还具有可编程性、低功率、灵活性和低成本等优势。
本文讨论了使用Verilog HDL实现基于FPGA的浮点运算器IP核的设
计与实现。
它包括浮点运算器的功能、实现及性能等方面的介绍。
2. Design and Implementation of FPGA Floating Point Unit
2.1 Floating Point Unit Design
在本文中，我们采用Verilog HDL实现了一个具有32位数据宽度的
浮点运算器IP核。
此外，它还具有加法、减法、乘法、除法以及规范化
的功能。
一种高性能浮点DSP芯片TMS320C6713及其最小系统的设计为了实现TMS320C6713的最小系统设计，我们需要考虑以下几个方面：芯片与外围设备的连接、外围电路的设计和电源管理。
首先，为了确保TMS320C6713与外部设备的连接，我们需要提供一些必要的接口和功能模块。
这包括存储器接口、外部总线接口、模数转换器(MCP)接口和通用输入/输出(IO)接口。
存储器接口可以连接闪存和动态随机存储器(DRAM)，以提供程序和数据的存储空间。
外部总线接口可以连接其他外围设备，如外部协处理器或通信接口。
MCP接口可以连接模拟信号源，如声音或视频输入。
通用IO接口可以连接其他外设，如显示器、键盘或鼠标。
其次，为了保证TMS320C6713的正常工作，我们还需要设计一些外围电路。
这包括时钟和复位电路、电源管理模块和稳压器。
时钟和复位电路提供了时序控制信号和系统复位信号，以确保芯片的正确初始化和稳定运行。
电源管理模块可以监控芯片的电源供应情况，并在需要时提供稳定的电源。
稳压器可以稳定供应芯片所需的电压，以保证其正常工作。
最后，为了实现TMS320C6713的最小系统设计，我们还需要考虑适当的外围电路连接和布局。
这些包括将上述模块连接到芯片的引脚上，并尽量减小信号传输线的长度和干扰。
此外，还需要对整个系统进行适当的布局和散热设计，以保证芯片的稳定性和可靠性。
总而言之，TMS320C6713是一种高性能浮点DSP芯片，其最小系统设计需要考虑与外围设备的连接、外围电路设计和电源管理。
通过合理连接和布局各个模块，并采取有效的电源管理和散热设计，可以实现TMS320C6713的高性能和稳定运行。
