25、定制指令Nios II系统设计：浮点运算与性能优化

定制指令Nios II系统设计：浮点运算与性能优化

1. 定制指令与Nios II系统概述

现代软核处理器可通过Avalon或AIX等外设总线，将常被称为定制知识产权（CIP）的定制逻辑紧密集成到微处理器中。若核心与CPU紧密耦合，则称之为定制指令（CI），可避免外部总线操作带来的长延迟。例如图像处理协处理器，或定制位操作等。

不过，在考虑使用CI时，有以下与处理器和算法相关的因素需要考虑：
- 对于“慢速”处理器，如Xilinx PicoBlaze或Nios II/e，使用CI有望获得最大改进。而对于ARM Cortex - A9或Nios II/f，改进可能不太显著。高度流水线化的处理器使用CI甚至可能运行更慢。
- 只有当硬件实现快速且紧凑时，算法才能获得大幅改进。像DCT或FFT中所需的位反转等位操作，或加密算法中的开关盒，使用CI会带来显著改进。但对于256点FFT，使用蝶形处理器时仅提高了45 - 77%，此时为定制算术电路进行大量的CI设计工作可能并不值得。

2. 浮点数字格式与操作

浮点系统旨在在大动态范围内提供高分辨率，当定点系统因动态范围有限而无法解决问题时，浮点系统常能提供解决方案，但会带来速度和复杂度的代价。大多数微处理器浮点系统遵循发布的单精度或双精度IEEE浮点标准，而基于FPGA的系统也可采用自定义格式。

标准归一化浮点字由符号位s、指数e和无符号（小数）归一化尾数m组成，代数表示为：
[X = (-1)^s \times (1 + m) \times 2^{e - bias}]
若指数用E位表示，则偏置值为：
[bias = 2^{E - 1} - 1]