Uso eficiente de aritmética redundante en FPGAs

Hasta hace pocos años, la utilización de aritmética redundante en FPGAs había sido descartada por dos razones principalmente. En primer lugar, por el buen rendimiento que ofrecían los sumadores de acarreo propagado, gracias a la lógica de de acarreo que poseían de fábrica y al pequeño tamaño de los operandos en las aplicaciones típicas para FPGAs. En segundo lugar, el excesivo consumo de área que las herramientas de síntesis obtenían cuando mapeaban unidades que trabajan en carrysave. En este trabajo, se muestra que es posible la utilización de aritmética redundante carry-save en FPGAs de manera eficiente, consiguiendo un aumento en la velocidad de operación con un consumo de recursos razonable. Se ha introducido un nuevo formato redundante doble carry-save y se ha demostrado que la manera óptima para la realización de multiplicadores de elevado ancho de palabra es la combinación de multiplicadores empotrados con sumadores carry-save.Till a few years ago, redundant arithmetic had been discarded to be use in FPGA mainly for two reasons. First, the efficient results obtained using carry-propagate adders thanks to the carry-logic embedded in FPGAs and the small sizes of operands in typical FPGA applications. Second, the high number of resources that the synthesis tools utilizes to implement carry-save circuits. In this work, it is demonstrated that carry-save arithmetic can be efficiently used in FPGA, obtaining an important speed improvement with a reasonable area cost. A new redundant format, double carry-save, has been introduced, and the optimal implementation of large size multipliers has been shown based on embedded multipliers and carry-save adders

Optimización de recursos hardware para la operación de convolución utilizada en el procesamiento digital de señales

Esta tesis presenta varias arquitecturas sobre la unidad MAC (multiplica–acumula) para la optimización de la operación de convolución, que es ampliamente utilizada en el procesamiento digital de señales, sobre varios dispositivos electrónicos de bajo coste. Básicamente esta optimización se centra en las FPGA de Xilinx Spartan 3 y Spartan 6, utilizando aritmética redundante, en particular la aritmética carry–save. Este tipo de aritmética no se suele utilizar en las FPGAs debido a que aumenta el área consumida, pero en esta investigación se ha demostrado experimentalmente que cuando el número de operaciones MAC a realizar es elevado, como es el caso de la convolución de dos señales, el uso de la aritmética CSA resulta eficiente, ya que disminuye significativamente los tiempos empleados, sin un aumento excesivo de los recursos utilizados de la FPGA. Por otro lado, también se han estudiado otros dispositivos electrónicos que suelen ser empleados en el procesamiento digital de señales, tales como DSP o GPP, realizando una comparación de los tiempos empleados de las FPGAs respecto a estos dispositivos.This Thesis presents several architectures of the multiply-accumulate unit (MAC) to optimize the convolution operation, which is widely used in digital signal processing, on several low-cost electronic devices. This optimization is mainly focused on Xilinx Spartan- 3 and Spartan-6 FPGAs, using redundant arithmetic, specifically the carry-save arithmetic (CSA). This type of arithmetic is not usually used on FPGAs since its high consumption of area resources, but this research shows that if the number of MAC operations developed is high, as the case of the convolution of two signals, the use of CSA arithmetic is efficient, since it decreases significantly the execution times without an excessive increase of the resources used in the FPGA. On the other hand, other electronic devices as DSP or GPP, usually used in digital signal processing, have been studied. A comparation of execution times on FPGAs and these devices has been included