在冷杉过滤器使用残留数量系统性能改进模小蝰蛇和乘数

Mythili.M¹,Gowrishankar.V²,Venkatachalam.K.V³

PG学生,ECE、Velalar工程与技术学院Tamilnadu侵蚀
助理教授,ECE、Velalar工程与技术学院Tamilnadu侵蚀
教授,ECE、Velalar工程与技术学院Tamilnadu侵蚀

文摘

数字信号处理(DSP)系统的核心是广泛的应用程序(如音频、视频、图像处理和消费类电子产品。大多数的需求方包括重复操作,减法和乘法在大整数。数字有限脉冲响应(杉木)过滤器执行频率塑造或在离散时间线性预测输入序列{x0, x1, x2…。}。在这个工作我们关注的设计一个高效的VLSI(超大规模集成)体系结构的FIR滤波器旨在减少能源消耗,增加速度并降低硬件复杂度使用残留数字系统(RNS)的方法。这使得同时并行处理在所有数字导致高速加法和乘法RNS域。它使用模小蝰蛇和模乘数获得高速性能。

关键字

有限脉冲响应(杉木),残留数字系统(RNS)模条,模乘数,模组。

介绍

[1]中描述的目的是RNS-FIR滤波器与TCS-FIR滤波器的比较延迟,面积和功耗。在[1]和工作考虑了动态功耗,能源消耗的主要部分是一个几年前。静态powerdissipation也是一个重要的角色在今天的powerbudgets由于技术扩展和增加晶体管'sleakage由于亚阈值电流。在[2]RNS滤波器的静态和动态功耗降低了TCS滤波器相比,但速度没有改善。

RNS TCS实现速度比其同行因为短词长度的计算完成模渠道没有携带传播之间的通道。减缓的进位链很长词长度(VLWL)(几百位或更多)加法和乘法是RNS有效地破碎,这个问题在实施VLWL算术与有限的空间和限制电池平台规范,如智能卡和无线电频率识别(RFID)标签,是所需的硬件之间的转换TCS和RNS severalmodulo通道的同步计算。RNS是适合应用程序涉及重复计算密码算法中重复模乘法和multiply-add业务信号处理算法,近年来的研究重点已经明显的区有效实现并发模RNS的算术运算。

如multi-modulus和多功能的技术架构,减少硬件冗余以及多阈值电压和multi-supply电压设计提出了降低功耗[2]- [4]。这种控制技术用于算法级设计空间探索和适用于通用模运算架构。结构层次简化特定的模运算操作,比如模乘法,和模技术,探索独特的理论属性数量形式的特殊模2 n, 2 n + 1, 2 n - 1得到了广泛的关注在其他[5],[8]。

背景

残数字系统广泛应用于特定于应用程序的实现数字信号处理(DSP)系统。由于系统近年来获得了非凡的重要性,因为在二进制补码同行更低的能耗。

答:ResidueNumberSystem (RNS)

RNS被定义为一组相对素数。RNS实现可以加速加法、减法和乘法。由RNS的数据并行处理,没有依赖或携带处理单元之间的传播。将输入数据转换成RNS表示的过程被称为转换,转换后的输出数据的过程从RNS传统表示被称为反向转换。总体结构的一个典型的RNS处理器是图1所示。

RNS的十进制数表示的n元组的余数模组中的每个模量。为了说明RNS数量,让我们考虑X是一个小数,{m0、m1、m2…m (n - 1)}的模组数量残留系统。这个RNS可以残留的模组系统。这RNS可以表示任意数量从0到(M - 1),其中M是产品的模组,该系统将被表示成X数量

< X > = X小姐mod mi (1)

RNS的加法和乘法操作,完成对模并行

这个冷杉过滤器可以被分解成p RNS中实现FIR滤波器并行工作,将描绘在图1。一个关键点的设计选择模RNS过滤器。选择组互质数字涵盖20位的动态范围,我们使用[2]中描述的工具,选择一组模给予最好的延迟/区域/力量权衡结果显示RNS过滤器组成块的特征。在每一个水龙头,一个模块化的乘数是必要的。

C。模加法和乘法模

模加法和乘法可以通过使用特殊的模组{2 n, 2 n + 1, 2 n - 1}。这些组形式优于通用模由于易于硬件实现的模运算功能以及系统级inter-modulo操作,如RNS二进制转换,并签署了检测。

提出了基于模加法器和模乘法器RNS-FIR过滤器

模加法器是残留数字系统的关键部件之一(RNS),它可以提供一个很好的平衡在RNS渠道多信道RNS处理。这些蛇是用来消除携带的重新编译。它还提供了更好的性能在延迟和面积。

答:模数2 n-1addition

2 n-1is全等零模,零可以表示为一个n位二进制字符串的0或1模2 n-1arithmetic [10]。因此,模2两颗操作数n-1addition事故,a和B相当于一个n位增加,B和Cout,也就是说,

模2 n + 1操作符也通常包含在残渣系统(RNS)的应用程序数量。

C.Modulus2n-1multiplication

基于乘法各种芯片的解决方案提出了使用表格查找和比较。存在复杂的方法来减少表大小通过结合小表查找与简单的算术运算,如添加。为单词长度大于8位,然而,这些解决方案仍然需要非常大的rom或多个时钟周期进行评估。为高性能模乘法,敏锐的乘数是必要的,可以作为组合或者管线式电路实现。与后续解决方案基于普通整数乘法模使用蛇提出修正。模(2 n - 1)乘法器架构可以在图4。

模乘法可以制定

D.Modulus2n + 1乘法

模(2 n + 1)乘法在这里被认为是应用程序的密码。即n位数字用于操作数和结果,在正常表示不使用值0和2 n的值是由“00…._0”。提出的算法可以很容易地适用于包含值0表示数量和值2 nindicated由一个单独的。

模的范数表示(2 n + 1)乘法可以制定

X。Y mod n (2 + 1)

= (X。Y国防部2 n - x。Y div 2 n)国防部(2 n + 1) (8)

模(2 n - 1)乘法,一个n-nbitmodulo n-nbit无符号乘法紧随其后(2 n + 1)减法可以执行[3]。再次,乘法可以获得通过执行部分产品生成和携带保存模(2 n + 1)。

E。冷杉的过滤器实现通过使用模条,模乘数

在RNS滤波器的设计要点是模的选择。特殊的模组的形式被认为是在{2 n, 2 n + 1, 2 n - 1}。

滤波器实现的结果

模加法器的使用和模乘法器在每个tapgiving最好延迟/区域/力量权衡结果显示RNS过滤器组成块的特征。加法器和减法器正向和反向转换器用于数字滤波器的设计。向前转换器的输出作为输入给RNS-FIR模加法器和乘法器。的残渣输出RNSFIR滤波器应用于反向转换器,实现高速过滤器的输出。

结果和分析

表我的比较进行过滤器执行90海里STM图书馆标准电池(VDD = 1:0 V, 25 C)[3],以及功耗已经被Synopsys对此计算功率分析仪基于随机生成的注释切换活动输入。所有的过滤器可以定时atfmax = 500 MHz。的功耗计算时钟频率为100 MHz。冷杉的速度滤波器比传统TCS-FIR改进。表二世表示区域的比较节省两模之间的乘数。残留的速度性能数字系统冷杉过滤器相比,传统的基于二进制补码系统的冷杉过滤器。一定的性能提升速度的因素是改善比传统的系统。

结论

DSP应用最广泛的操作之一是有限脉冲响应(杉木)过滤。这样紧凑的设计和高速实时数字滤波器将需要找到应用于雷达、通讯和图像处理系统。所以冷杉滤波器的性能改进使用残留数量系统模小蝰蛇和模乘数将设计。冷杉过滤器的实现较小的延迟比传统的方法。由于延迟的衰减的速度系统将自动增加。实现结果表明,RNS过滤器提供了一个减少提供35%的总功率降低对相应的常规过滤器。

承认

作者承认学生的贡献,VelalarCollege学院工程和技术帮助检查电路的设计,和工具支持。作者也感谢theanonymousreviewers周到commentsthat帮助改善。作者要感谢匿名评论者的建设性的批判,本文大大受益。

引用

Nannarelli a和Cardarilli G.C.(2001年5月)之间的权衡残渣数字系统和传统的FIR滤波器的11卷IEEE国际研讨会在电路和系统中,第二卷,第305 - 308页。
g . c . Cardarilli公元再保险,a . Nannarelli和m .再保险,“低功率和低泄漏RNS FIR滤波器的实现,“在Proc。39 thasilomar相依信号系统。第一版。,Pacific Grove, CA, Nov. 2005, pp. 1620–1624.
诉Paliouras和t . Stouraitis多功能RNS处理器架构,“IEEE反式。电路系统。第二,模拟。数字。信号的过程。46卷,没有。1999年8月8日,页。1041 - 1054年。
即Kouretas和诉Paliouras RNS multi-voltage低功率乘加单元,“在Proc。17 IEEE Int。相依之电子、电路系统,雅典,希腊,2010年12月,9 - 12页。
g . a .较z . Wang和w·c·米勒,”一个算法multiplicationmodulo (2 n - 1),“在Proc。中西部第39 IEEE计算机协会。CircuitsSyst。,Ames, IA, Aug. 1996, pp. 1301–1304.
r·齐默尔曼“有效的VLSI实现模(2 n±1)加法和乘法,“在Proc。14日IEEE计算机协会。ComputerArithmetic,阿德莱德,澳大利亚,1999年4月,第158 - 167页。
c . Efstathiou h . t .枝条,d . Nikolos”修改布斯模(2 n - 1)乘数”,IEEE反式。第一版。,vol. 53, no. 3, pp. 370–374, Mar. 2004.
Z。王,g . a .较andW。C。米勒”,一个高效的树架构模(2 n - 1)乘法,”j .超大规模集成信号的过程。,14卷,不。3,第248 - 241页,1996年12月。
C。Efstathiou, h·t·枝条、g . Dimitrakopoulos和d . Nikolos”Efficientdiminshed-1模(2 n + 1)乘数,“IEEE反式。第一版。,vol. 54, no. 4, pp. 491–496, Apr. 2005.
Ramyamuralidharan(2012)的区有效模2 n - 1模2 n + 1乘数为{2 n - 1, 2 n, 2 n + 1}基于RNS的IEEE电路和systems-1, VOL.59 10号。