不同ALU實現(xiàn)方法的功耗研究

孫軍凱，蔣安平

(北京微電子技術研究所，北京100076)

1 引言

隨著手持設備和電池供電設備的普及和不斷發(fā)展，設計者對微處理器在功耗方面的要求越來越高。低功耗微處理器的設計可以從不同的抽象層次采用相應的低功耗設計技術進行，也可以通過分別對微處理器的各個組成部分進行功耗優(yōu)化來實現(xiàn)。ALU是進行數(shù)據(jù)處理的場所，是微處理器的重要組成部分，其工作頻率直接決定了微處理器的性能。由于在幾乎100%的時間里都處于工作狀態(tài)，所以ALU是微處理器中消耗能量最多的組成部分之一，也是最容易形成熱點的地方［1］。因此，設計低功耗的ALU可以顯著減小微處理器的功耗。

由于ALU的結構與功耗、延遲和面積有著復雜的聯(lián)系，所以采用不同結構的ALU也通常會有不同的功耗。根據(jù)資源復用程度的不同，ALU結構主要有以下三類:①復合結構［2－3］;②加法器獨立結構［4－5］;③樹形結構和鏈式結構［6］。對三類 ALU 結構的詳細描述將在文章的第三部分進行。

基于三種不同結構，設計了一個8比特的執(zhí)行加、減運算和邏輯運算的ALU，并且用三種常見的ALU結構分別予以實現(xiàn)。通過對三種ALU結構的比較，結合功耗分析的結果，我們得到了采用復合結構的ALU更有利于低功耗設計的結論。

2 ALU設計

ALU是一個從寄存器堆、寫回總線或者數(shù)據(jù)存儲器取操作數(shù)，并對操作數(shù)進行處理的單元。ALU的設計主要包括三個方面:功能定義、核心加法器設計以及結構設計三個方面。由于主要關心不同的ALU結構對功耗的影響，所以這里主要進行的是結構設計。

2.1 ALU 功能設計

通過研究發(fā)現(xiàn)通用微處理器的ALU執(zhí)行的指令都可以使用加、減、與、或、非等基本運算來完成。為了研究ALU結構對功耗的影響，設計了一個執(zhí)行10種基本運算的8比特ALU，并分別用三種結構來實現(xiàn)它。表1列出了所設計的ALU執(zhí)行的運算和操作。

表1 ALU的功能表

2.2 核心加法器

加法器是運算電路的核心，通常處于ALU的關鍵路徑上［4］。設計低功耗高速加法器單元是獲得低功耗高速運算電路的關鍵。

行波進位加法器(Ripple Carry Adder，RCA)是最早的最基本的加法器，其延時正比于加法器的位數(shù)N，面積也正比與加法器的位數(shù)N。超前進位加法器(Carry Look－ahead Adder，CLA)憑借著速度快和模塊化的優(yōu)勢而被廣泛采用，其延時正比于加法器位數(shù)N的對數(shù)logN，面積正比于N·logN。除此之外，相同位數(shù)的CLA功耗也要比進位選擇加法器(Carry Select Adder，CSL)和進位保留加法器(Carry Save Adder，CSA)低［7］。

N位全加器中，第k位的進位輸出與第k位的加數(shù)、被加數(shù)以及第k－1位的進位輸出之間存在如下關系:

CLA通過消除行波進位來加速加法運算，因此CLA中Cout可以表示為:

其中Pk表示第k位的進位傳播信號，Gk表示第k位的進位產生信號。

由于公式(2)所建議的超前結構只在N值較小(N≤4)的時候有效［7］，因此可以采用兩個4比特的超前進位加法器串聯(lián)設計來實現(xiàn)ALU中的8比特全加器。

3 三種典型的ALU結構

復合結構ALU將執(zhí)行算術運算和邏輯運算指令的電路復用起來，用幾個控制信號來控制電路執(zhí)行相應的指令操作。加法器獨立ALU開始只考慮用單獨的加法器實現(xiàn)所有算術運算指令，然后再加上獨立于加法器的其他電路以實現(xiàn)所有邏輯運算指令。這種ALU結構中，實現(xiàn)算術運算的電路和實現(xiàn)邏輯運算的電路相互獨立。樹形結構和鏈式結構ALU是把一些功能單元組織成樹狀或者鏈狀，每一個功能單元執(zhí)行某一種算術運算或邏輯運算，利用這些功能單元的組合來實現(xiàn)所有的算術運算指令和邏輯運算指令。

3.1 復合結構

在復合結構ALU中，通過修正核心加法器的進位傳播(Propagation)和進位產生(Generation)模塊，使進行算術運算和邏輯運算的電路得以復用。圖1顯示了修正后的P G模塊。圖2顯示的是一個4比特的采用復合結構的ALU。

圖2中，s0、s1、s2和s3是控制P G模塊功能的控制信號，c是選擇ALU進行算術運算或邏輯運算的選擇信號。

由于ALU中8比特的加法器是由兩個4比特CLA串聯(lián)組成，所以8比特復合結構的ALU也采用兩個圖2所示的4比特ALU串聯(lián)組成。

3.2 加法器獨立結構

這種結構中，一個CLA用于執(zhí)行算術運算，一個獨立于加法器的模塊用于執(zhí)行邏輯運算。邏輯運算模塊的電路如圖3所示。加法器獨立結構的ALU如圖4所示。出于低功耗考慮，我們對加法器獨立結構的ALU采用操作數(shù)隔離技術，如圖4中虛線框所示。

3.3 鏈式結構

根據(jù)文獻［6］，鏈式結構ALU比樹形結構ALU有更小的面積和潛在的更快的速度。此外，對于鏈式結構ALU，功能單元在鏈中位置的不同也會導致功耗的不同。因此，這里我們選擇鏈式結構ALU作為研究對象。基于Dhrystone基準測試程序，通過改變功能單元在鏈中的位置，我們找到一種功耗最低的鏈式結構ALU，如圖5所示。

出于低功耗考慮，我們對鏈式結構ALU采用操作數(shù)隔離技術，在兩個操作數(shù)后面分別增加了一個隔離單元，如圖5中虛線框所示。

圖5 鏈式結構ALU

4 仿真結果分析和討論

使用Verilog HDL硬件描述語言在RTL級對該8比特ALU進行描述，用Modelsim仿真軟件進行功能仿真，完成ALU的設計。再用Synopsys公司的Design Compiler對設計好的RTL級代碼進行邏輯綜合(采用SMIC 0.18μm工藝)生成該8比特ALU的門級網(wǎng)表。為驗證綜合正確與否這里需要對門級網(wǎng)表進行門級的功能仿真，此時需要生成記錄節(jié)點翻轉信息的VCD文件。最后用Synopsys公司的Prime Power功耗分析工具，采用基于事件的功耗分析方法進行功耗分析。

在100MHz的頻率下執(zhí)行Dhrystone基準測試程序時，三種不同結構ALU的功耗、延時和面積如表2所示。從表中可以看出，復合結構ALU具有最小的功耗和最小的面積。

表2 不同結構ALU的功耗、延時和面積

比較圖1和圖3，可以發(fā)現(xiàn)復合結構中修正后的P G模塊僅僅比加法器獨立結構中的邏輯運算單元多了一個3輸入的“或”門。但是在加法器獨立結構中，CLA需要一個“與”門和一個“異或”門來產生P G信號。此外，加法器獨立結構ALU需要一個多路選擇器來選擇合適的輸出。由于多路選擇器處于關鍵路徑的末端，其開關活動性比ALU的其他部分都要大。因此，加法器獨立結構ALU的功耗比復合結構ALU的功耗大就不足為奇了，面積也是如此。仿真的結果也印證了這一點。

對比圖3、圖4和圖5，可以發(fā)現(xiàn)加法器獨立結構ALU與鏈式結構ALU的不同之處僅在邏輯運算單元。然而由于二者的邏輯運算單元結構差別比較大，很難從直觀上判斷哪種結構更有利于低功耗設計。應該注意到這里邏輯運算單元的功耗在總功耗中所占的比例是比較小的，所以兩者功耗的差別也會比較小。為了探明哪種結構更省功耗，選取另外三組隨機產生的測試向量對這三種不同結構的ALU進行功耗分析，其結果如表3所示。

表3 不同結構ALU在不同類型的測試向量下的功耗(mw)

從表3中可以看出，當執(zhí)行隨機產生的操作時與執(zhí)行Dhrystone基準測試程序時相比，復合結構ALU和加法器獨立結構ALU的功耗都有明顯的下降。這是因為在Dhrystone基準測試程序中算術運算的比例遠比隨機產生的指令中算術運算的比例高，而且ALU執(zhí)行一條算術運算指令消耗的功耗要遠比執(zhí)行一條邏輯運算指令消耗的功耗高。當執(zhí)行Dhrystone基準測試程序的時候，加法器獨立結構ALU的功耗要比鏈式結構ALU的功耗高，但是當執(zhí)行隨機產生的指令時，加法器獨立結構ALU的功耗又比鏈式結構ALU的功耗少。這是因為鏈式結構ALU中功能單元的排放順序是根據(jù)Dhrystone基準測試程序來設計的，而不同的測試向量對鏈式結構ALU功耗的影響是比較大的。

從表2和表3，可以發(fā)現(xiàn)采用操作數(shù)隔離技術后，加法器獨立結構ALU和鏈式結構ALU的功耗都有一定程度的下降，但是效果并不理想。

從表4中可以看出，這里采用操作數(shù)隔離技術對低功耗設計有幫助，但是效果不明顯。這是因為一方面ALU一直處于工作狀態(tài)，另一方面ALU多數(shù)時間在執(zhí)行消耗功耗較多的算術運算指令，再加上隔離單元本身也要消耗功耗，所以能節(jié)省下來的功耗是非常有限的。當僅僅執(zhí)行邏輯運算的時候，由于功耗較大的算術運算單元被隔離，所以此時使用操作數(shù)隔離技術有比較好的效果。

表4 操作數(shù)隔離技術對ALU功耗的影響

5 結束語

低功耗設計是一項復雜的工程，需要從不同的設計層次進行設計才能達到較好的效果。這里設計一個執(zhí)行10種運算的8比特ALU，并分別用三種不同的結構實現(xiàn)它。通過對這三種不同結構ALU的功耗分析和結構比較來研究ALU結構對功耗的影響。仿真結果表明:復合結構ALU面積和功耗都是最小的。與其它兩種ALU結構相比，復合結構ALU的功耗節(jié)省范圍是19.38%和33.87%。

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