双通道前导1预判模块的全定制版图设计与验证

王颖，张跃宗，张竞丹

（深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172）

双通道前导1预判模块的全定制版图设计与验证

王颖，张跃宗，张竞丹

（深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172）

前导1判断模块是浮点加法运算中不可缺少的部分，在运算结果产生之前就对运算结果进行预测的方式叫做前导1预判，相应的电路叫前导1预判电路。经过改进的双通道前导1预判电路与单通道运算结构相比具有更高的运算速度，而全定制的版图设计方法具有减小单元面积和时延的优点，用全定制版图设计的方法来设计双通道前导1预判模块，能够进一步提高其性能。

浮点运算；前导1； 双通道；旁路逻辑；全定制；版图设计

引言

前导1预判电路是浮点运算中不可缺少的一部分，其原理是将先导1位置的判断与加/减法运算同步进行，而不必等到加/减法运算完成以后再根据其结果进行判定。在运算速度上，采用前导1预判电路的浮点运算单元比采用前导1判定电路的单元具有更大的优势。在前导1预判电路中，通过增加一个通道可以减少部分操作数的预判时间，进一步提高电路的运算速度[1]。全定制版图设计方法具有减少版图面积和时延的优点，将全定制版图设计方法用于双通道前导1预判电路中，能够进一步提高电路的性能。

1 双通道前导1预判模块的原理[1]

浮点操作数都是规格化数，在浮点减法运算中，当有借位的情况发生时，先导1的位置是不确定的，这就需要使用预判模块来进行判断。，而在浮点加法运算中，先导1的位置是不需要判断的，因为除了溢出异常之外，先导1的位置一定是第一个非符号数。

通过研究浮点数减法运算的几种情况，可以得到前导1位置与操作数前三位取值的关系对应表，如表1所示。在表中，A和B是不考虑符号位的两个操作数，且均为补码形式，因此对减法运算所做的研究都是基于补码的加法运算来进行的。

通过表1中对浮点运算的分析可以发现我们将浮点运算分成两个运算通道，能够通过操作数的前三位确定前导1位置的操作数通过旁路逻辑，而其他操作数通过传统前导1预判逻辑，该算法如图1所示。

图1 双通道前导1预判模块的逻辑算法Fig.1 The algorithm of the leading-one prediction circuit by two path

2 双通道前导1预判模块的全定制版图设计

在双通道前导1预判模块中，操作数判断逻辑的电路和旁路逻辑的电路如图2(a)和(b)所示[1]。在图中可以发现反相器、4输入与门、3输入与门、2输入与门等门电路在电路结构图中多次被使用，那在进行全定制版图设计的时候可以将这些单元做成基本单元，调用时只需要按照需求调节其大小，然后按照要求拼接出所需要的电路，这样可以减少大量重复劳动，提高画图的效率。

表1 前导1的位置与操作数前三位取值情况关系表Tab.1 The relationship between the position of the leading-one and the value of the first three bits of the operand

图2 （a）操作数判断逻辑电路结构图Fig.2（a） The circuit of the leading-one judgement circuit

图2 （b）旁路逻辑电路结构图Fig.2（b）The circuit of the bypass logic

用全定制方法进行版图设计的时候，首先要确定单元的高度，所有基本单元具有同样的高度，这样便于拼接，另外还好确定金属线的走向和分布，如在图3的3输入与门中，所有的金属2都是纵向走线，且按照设计规则的要求进行间隔，在需要用到金属2的时候，只要找附近的金属2进行连接，其余没有用到的金属2可以删除，这样可以保证布线间距满足设计规则的要求且具有最高的利用率。由于在进行版图拼接的时候阱接触和衬底接触不能重叠，所以在进行单元设计的时候要考虑到拼接后的位置关系，为相邻的单元的阱接触和衬底接触预留出位置，如图3所示。

图3 3输入与门版图实现Fig.3 The layout of the 3 inputs nand gate

单元版图设计完成后可以按照电路结构图拼接版图，如图4所示，在拼接的时候要考虑到布局的“艺术性”，版图设计不仅是一项技术，同时也是一门艺术，好的布局和布线能够给人以美感，当然这要在保证布局的合理性和布线尽可能短的前提下完成的。

图4 拼接好的操作数判断逻辑电路的版图Fig.4 The layout of leading-one judgement circuit

3 版图的验证

版图布局和连线完成后还要进行设计规则检查（DRC）和电路图与版图对比验证（LVS），在进行设计的时候，首先要保证单元版图通过这两项验证，然后才能进行拼接，拼接后的版图要再进行一次DRC和LVS检查，如果发现错误，基本可以确定是在进行拼接和连线的时候出现问题，而单元内部没有问题，这种分层设计便于查找错误。

4 结束语

本文对双通道前导1预判电路的版图全定制设计方法进行了研究，利用全定制的版图设计能够减少版图的面积，进一步提高电路模块的性能。

[1]王颖.改进溢出判断电路的设计与仿真研究[J].电子技术应用.2012.05:49-51.WANG Ying.Research on des ign and s imulation of an improved overflow judgment circuit[J].Application of Electronic Technique 2012.05:49-51(in Chinese)

[2]Behrooz Parhami.computer Arithmetic-Algorithms and Hardware Designs[M].Oxford University Press,2000

[3]李笑盈.浮点加法运算器前导1预判电路的实现[J].计算机工程与应用.2002,21: 142-143 LI Xiaoying.The Design of Leading-One Prediction in Floating-Point Adder[J].Computer Engineering and Applications.2002,21:142-143(in Chinese).

【责任编辑：高潮】

Full-custom layout design and simulation of a double path leading-one prediction circuit

WANG Ying,ZHANG Yuezong,ZHANG Jingdan
（School of Electionic Communication Technology,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China）

The leading-one prediction is part of the floating point adder.T he leading-one prediction algorithm is based on leading-one prediction.The position of the loading-one can be predicted by two paths,and for some operators,the speed of operation can be accelerated and the power consumption can be lower.The full-custom layout design can potentially maximizes the performance of the circuit,and minimizes its area.

floating-point eading-one ; two-path; bypass- logic; full-custom ;layout design

TP332.21

A

1672-6332（2017）03-0029-03

2017-10-10

广东省高等学校“千百十人才培养工程”项目;深圳信息职业技术学院《数字IC设计》校级精品资源共享课程建设项目；广东省二类品牌专业建设项目（2016gzpp126）。

王颖（1979-），女（汉），山东烟台人，副教授，硕士，主要研究方向：超大规模集成电路设计。E-mail：wangy2006@sziit.edu.cn