定點(diǎn)DSP中高精度除法的實(shí)現(xiàn)方法

2 高精度算法

由于經(jīng)典算法在結(jié)果上存在精度不高的問(wèn)題，所以應(yīng)考慮精度盡可能高的除法算法。

和經(jīng)典算法一致，本算法也采用移位相減實(shí)現(xiàn)除法。但不同的是，在進(jìn)行移位相減之前算法對(duì)除數(shù)與被除數(shù)進(jìn)行了一些處理，并且在移位相減時(shí)不再分兩種情況。下面具體介紹算法的流程。

首先給出被除數(shù)y和除數(shù)x。由于定點(diǎn)DSP中所有的數(shù)據(jù)都以整數(shù)的形式存在，所以在這里就把y和x看成是整數(shù)，不考慮它們本身的Q值。在圖1所示的流程圖中，A和B是C5416的2個(gè)累加器。算法第一步是將x和y相乘，結(jié)果存放在B中，以便在最后從B中提取商的符號(hào)(商的符號(hào)與B的符號(hào)相同)。第二步分別對(duì)x和y取絕對(duì)值以進(jìn)行無(wú)符號(hào)數(shù)相除。第三步，分別判斷x和y在最高有效位之前共有多少個(gè)O，分別記為n和m，即在x和y的分別有(16一n)和(16一m)個(gè)有效位。然后將x和y分別左移(n一1)位和(m一2)位，即x=x·2n-1，y=y·2m-2。第四步，將前面所得x和y再進(jìn)行移位相減，把y存放在A的高位，即AH=y，利用SUBC指令進(jìn)行1 5次移位相減。在所得的結(jié)果當(dāng)中，A的低位即為商的絕對(duì)值，B的符號(hào)即為商的符號(hào)，兩者結(jié)合得到quot值。由于在移位相減之前分別對(duì)除數(shù)和被除數(shù)有一個(gè)左移放大的操作，所以在結(jié)果中就必須考慮商的Q值。

假設(shè)給定的除數(shù)和被除數(shù)是x0和y0，則進(jìn)行移位相減的兩數(shù)分別為x=x0·2n-1，y=y0·2m-2。根據(jù)計(jì)算的過(guò)程可以得到商的Q值為(14+m-n)，所以最后的結(jié)果應(yīng)該包括quot值和Q值(14+m—n)兩部分。即商=quot·2-Q。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

前一節(jié)中詳細(xì)介紹了高精度算法的具體流程，可以發(fā)現(xiàn)其與經(jīng)典算法相比，不同之處在于進(jìn)行移位相減之前把除數(shù)和被除數(shù)進(jìn)行了不同位數(shù)的左移，保證進(jìn)行移位相減的除數(shù)的數(shù)據(jù)位最高位是l，即14位為1，而被除數(shù)的第13位為1。正是這個(gè)左移使結(jié)果的精度得到了提高。

在所引用的經(jīng)典算法中，當(dāng)1被除數(shù)l

利用高精度算法在TMS320C5416中計(jì)算上面的4組數(shù)據(jù)，所得結(jié)果如表2所列。

上面的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，該算法使計(jì)算結(jié)果的精度有了很大的提高。取表中第三組數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，y=479、x=240，利用經(jīng)典算法結(jié)果為整數(shù)1。利用改進(jìn)后的算法，得到的結(jié)果有兩部分：quot值=3FDDH，Q值=13。由這兩部分可以算得精確的商值1.995 727 539 062 5，而479/240=1.995 83，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差為O.000105 794 270 83。當(dāng)Q值=13時(shí)，定點(diǎn)數(shù)據(jù)表示形式允許的誤差為2-13=O.000 122 070 312 5，可見計(jì)算結(jié)果誤差在允許的誤差范圍之內(nèi)，也就是說(shuō)計(jì)算結(jié)果滿足所推導(dǎo)出的精度的范圍。對(duì)比前后兩種算法，可以發(fā)現(xiàn)這里的計(jì)算結(jié)果精度由原來(lái)的1提高到了2-13。

通過(guò)分析可知，該算法使計(jì)算結(jié)果在精度上有了非常大的提高，但是在效率上則有所降低。如表3所列：

表3中的時(shí)鐘周期指的是DSP的機(jī)器時(shí)鐘周期。由表3可以發(fā)現(xiàn)高精度算法對(duì)于不同的數(shù)據(jù)所需的周期數(shù)是不一樣的，而且算法中計(jì)算被除數(shù)和除數(shù)的高位無(wú)效位數(shù)占用了大部分的周期數(shù)。

經(jīng)典算法在效率上比高精度算法高，主要是因?yàn)樵诟呔人惴?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/中高">中高位無(wú)效位數(shù)的計(jì)算效率過(guò)低。用C5416計(jì)算|被除數(shù)|和|除數(shù)|的高位無(wú)效位數(shù)，效率低是由于在C5416中沒(méi)有現(xiàn)成的指令來(lái)探測(cè)數(shù)據(jù)中哪一位為最高有效位。表3給出的時(shí)鐘周期數(shù)是在筆者的程序中所得到的結(jié)果，由于時(shí)間匆忙和優(yōu)化方面能力的局限性，所以并不能保證在程序優(yōu)化方面做得很好，所以在C5416中對(duì)該部分程序再進(jìn)行更好的優(yōu)化以減少執(zhí)行的時(shí)間是很可能的。

在TI公司C6000系列的定點(diǎn)DSP中，有專門的指令LMBD來(lái)快速得到累加器中從符號(hào)位開始無(wú)效0位的個(gè)數(shù)，只需幾個(gè)周期就能完成C5416里高位無(wú)效位數(shù)的計(jì)算，所以在C6000中完成整個(gè)算法的效率與經(jīng)典算法相比肯定能夠提高。并且在C6000系列中對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算所需的時(shí)鐘周期數(shù)是一樣的，因此在C6O0O系列定點(diǎn)DSP中該算法有著更好的實(shí)用性。

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了高精度除法在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)與經(jīng)典除法算法的對(duì)比，顯示了其高精度的優(yōu)點(diǎn)。定點(diǎn)TMS320C5416實(shí)驗(yàn)表明該算法使商的精度得到了很大的提高，但是在計(jì)算的效率上有待進(jìn)一步提高。