KR100322550B1 - Booth multiplier and design - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 부스 곱셈기와 이를 채용한 디지털 필터에 관한 것으로, 특히 음의 피승수의 생성을 증가기를 사용하지 않고 구현하여 하드웨어 크기와 연산으로 인한 지연을 줄일 수 있는 부스 곱셈기와 이를 채용한 디지털 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a booth multiplier and a digital filter employing the same, and more particularly, to a booth multiplier and a digital filter employing the same that can implement the generation of the negative multiplier without using an increaser to reduce the delay caused by hardware size and operation will be.
일반적으로, 곱셈기의 구현에 많이 사용되는 부스 알고리즘(booth algorithm)은 여러개의 비트를 한 번에 곱하는 기능과 2의 보수 곱셈을 쉽게 해결할 수 있으므로 여러 형태로 개량되어 왔다.In general, a booth algorithm, which is widely used in the implementation of a multiplier, has been improved in various forms because a function of multiplying a plurality of bits at a time and a two's complement multiplication can be easily solved.
여기서, 부스 알고리즘은 곱셈을 행할 때 승수와 피승수를 한 비트씩 비교하여 행하는 것이 아니라 일정한 형태의 기록 테이블을 두고 이 기록 테이블에 맞게 승수에 따른 변형을 피승수에 행하여 동시에 여러 비트를 곱하는 방법이다.Here, the booth algorithm does not compare the multiplier and the multiply bit by bit when performing the multiplication, but instead of multiplying the multiplicand by multiplying the multiplicand by multiplying the multiply according to the multiplier according to the recording table.
부스 알고리즘을 위한 가장 간단한 기록 테이블(부스 테이블로 약칭함)은 아래 표 1과 같다.The simplest record table (abbreviated as booth table) for the booth algorithm is shown in Table 1 below.
위 부스 테이블에서는 2비트단위의 승수에 따라 피승수에 0, +1 또는 -1을 곱해서 피승수를 변형하고 있다. 이 부스 테이블에서 알 수 있듯이, -1피승수가 필요하고 이를 구현하려면 2의 보수 연산을 수행하여야 한다.In the booth table above, the multiplicand is transformed by multiplying the multiplicand by 0, +1, or -1 according to the multiplier in 2-bit units. As you can see from this booth table, -1 The multiplicand needs to be implemented and the two's complement operation must be performed.
승수에 따른 피승수의 변형에는 표 1에서 언급한 부스 테이블외에도 3비트 이상을 동시에 비교 판단하는 변형 부스 알고리즘(modified booth algorithm)이 있다. 그러나, 모든 부스 알고리즘에는 피승수에 음의 값을 곱하는 즉, 2의 보수 연산을 필요로 한다. 2의 보수 연산을 수행하려면 일반적으로 피승수에 1의 보수를 취하고 즉, 피승수를 인버팅하고 인버팅된 결과에 1을 더하는 방법을 취한다. n비트를 갖는 수 A를 피승수로 보고 2진수로 표현할 때 수학식 1과 같이 주어진다.In addition to the booth table mentioned in Table 1, there is a modified booth algorithm that compares three bits or more at the same time. However, all booth algorithms require multiplying the multiplicand by a negative value, that is, two's complement operation. To perform a two's complement operation, one usually takes a one's complement to the multiplicand, that is, inverts the multiplicand and adds one to the inverted result. When a number A having n bits is regarded as a multiplicand and expressed in binary, it is given by
이를 2의 보수로 바꾸기 위해서는 수학식 2와 같이 각 비트를 인버팅시킨다.To convert this to two's complement, invert each bit as shown in Equation 2.
인버팅된 피승수(A)에 수학식 3과 같이 1을 증가시켜야 한다.Inverted multiplicand ( In A), 1 should be increased as in Equation 3.
이때, 2의 보수를 연산하기 위해서 필요한 증가기는 입력되는 n비트에 비례하여 증가하는 반가산기(half adder)이고 시간 지연도 비례하여 증가한다.At this time, the incrementer necessary to calculate the two's complement is a half adder that increases in proportion to the n-bit input and the time delay also increases in proportion.
부스 알고리즘 또는 이의 변형된 형태인 변형 부스 알고리즘을 구현하려면 승수에 따른 피승수의 변형이 필요하고 이러한 변형의 한가지인 음의 피승수를 구현하려면 일반적으로 피승수의 값을 인버팅하고 1을 더하여 2의 보수를 만들어 왔다.Implementing the booth algorithm or its modified form, the modified booth algorithm, requires multiplying the multiplicands according to the multiplier, and to implement a negative multiplicator, one of these variants, typically inverts the value of the multiplicand and adds one to the two's complement. I have made it.
따라서, 종래의 부스 곱셈기를 구현하기 위하여 부스 알고리즘을 이용하면 피승수에 대한 2의 보수가 필요하고, 이때 필요로 하는 1을 더하는 기능을 수행하는 증가기(incrementer)가 항상 필요하고 이러한 증가기는 입력 비트수가 커짐에 따라 비례하여 증가하므로 하드웨어 구현시 비용증가와 더불어 연산 지연을 유발하는 문제점이 있었다. 부스 곱셈기를 여러개 사용하는 디지털 필터의 경우는 특히 언급한 증가기의 증가로 인하여 비용상승을 유발시키는 문제점이 있었다.Therefore, using a booth algorithm to implement a conventional booth multiplier requires two's complement to the multiplicand, and an incrementer is always needed to perform the function of adding the required one, which is an input bit. Since the number increases proportionally as the number increases, there is a problem of causing an increase in cost and computational delay in hardware implementation. In the case of a digital filter using multiple bus multipliers, there is a problem of causing a cost increase due to the increase of the multiplier.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 음의 피승수의 생성을 증가기를 사용하지 않고 간단하게 구현한 부스 곱셈기를 제공하는 데 있다.In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a booth multiplier that simply implements the generation of a negative multiplicand without using an incrementer.
본 발명의 다른 목적은 증가기를 사용하지 않는 다수의 각 부스 곱셈기로부터 발생하는 음의 피승수 생성에 증가치가 필요하다는 제어 정보를 이용하여 음의피승수를 생성하는 디지털 필터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a digital filter for generating a negative multiplier using control information that an increase value is required for generating a negative multiplicant generated from a plurality of booth multipliers that do not use an increaser.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 부스 곱셈기는 소정의 부스 알고리즘에 의해 입력되는 승수에 따라 피승수를 변형시키기 위한 변형 정보가 기록된 부스 테이블 및 변형 정보에 따라 입력되는 피승수를 변형시켜 변형된 피승수를 발생하고, 음의 피승수로 변형하기 위해서 필요한 증가 제어신호를 발생하는 엔코더를 포함함을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the booth multiplier according to the present invention is modified by modifying the multiplicand inputted in accordance with the booth table and the modified information is recorded in the deformation information for modifying the multiplier according to the multiplier input by a predetermined booth algorithm And an encoder for generating a multiplied multiplier and generating an increase control signal necessary for transforming to a negative multiplicand.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 부스 곱셈기를 채용한 디지털 필터는 소정의 부스 알고리즘에 의해 n개의 입력되는 승수에 따라 피승수를 변형시키기 위한 변형 정보가 기록된 부스 테이블로부터 독출된 변형 정보에 따라 입력되는 피승수를 변형시켜 변형된 피승수를 발생하고, 음의 피승수로 변형하기 위해서 필요한 증가 제어신호를 발생하는 n개의 부스 곱셈기, 증가 제어신호에 따라 n개의 부스 곱셈기에서 음의 피승수로 변형되는 수에 해당하는 증가치를 부호화하여 부호화된 증가치를 공급하는 엔코더 및 n개의 변형된 피승수와 부호화된 증가치를 가산하는 가산기를 포함함을 특징으로 한다.In order to achieve the above another object, the digital filter employing the booth multiplier according to the present invention is a deformation read from a booth table in which deformation information for modifying the multiplier according to n input multipliers by a predetermined booth algorithm is recorded. N booth multipliers for generating a modified multiplicand by transforming the input multiplicand according to the information, and generating an increase control signal necessary for transforming to a negative multiplicand, and converting the n multiply multipliers from a n booth multiplier according to the increase control signal. And an encoder for supplying the encoded increase value by encoding the increase value corresponding to the number, and an adder for adding the n modified multiplicands and the encoded increase value.
도 1은 종래의 부스 곱셈기를 채용한 디지털 필터의 구조이다.1 is a structure of a digital filter employing a conventional booth multiplier.
도 2는 본 발명에 의한 부스 곱셈기를 채용한 디지털 필터의 구조이다.2 is a structure of a digital filter employing a bus multiplier according to the present invention.
도 3은 도 2에 도시된 제1 가산기의 구조를 보인 도면이다.3 is a diagram illustrating a structure of a first adder shown in FIG. 2.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 부스 곱셈기와 이를 채용한 디지털 필터에 대하여 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a bus multiplier and a digital filter employing the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
먼저, 부스 알고리즘이 적용되는 하나의 예로서 디지털 필터를 들 수 있으며, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 부스 알고리즘을 사용하는 부스 곱셈기를 채용한 기존의 디지털 필터의 구조는 도 1에 도시되어 있다.First, a digital filter is an example to which the booth algorithm is applied. The structure of a conventional digital filter employing a booth multiplier using the booth algorithm is illustrated in FIG. 1 to assist in understanding the present invention.
도 1에 있어서, 설명의 편의상 입력 비트수에 결정되는 다수의 부스 곱셈기 중 하나의 부스 곱셈기(100)만 도시되어 있다.In FIG. 1, for convenience of explanation, only one booth multiplier 100 of the plurality of booth multipliers determined by the number of input bits is shown.
부스 곱셈기(100)의 부스 테이블(102)은 일 예로서 표 1에 도시된 부스 테이블일 수 있으며, 입력되는 승수 a[0]에 따른 피승수 b[0]의 일정한 형태의 변형을 결정하는 정보(+1, -1 또는 0)를 엔코더(108)에 인가한다. 또한, 이 변형에는 2의 보수로의 변형도 포함되어 있으므로, 부스 테이블(102)은, 피승수를 음의 피승수로 만들어야 하는 변형이라면 증가기(INC로 표기되어 있음:104)에 의해 "1"이 증가된 피승수를 선택하고 그렇지 않으면 입력되는 피승수 b[0]를 선택하도록 멀티플렉서(MUX로 표기되어 있음:106)에 선택제어신호를 인가한다.The booth table 102 of the
엔코더(108)는 멀티플렉서(106)에 의해 선택된 피승수를 부스 테이블(102)로부터 독출되는 정보(+1, -1 또는 0)를 곱해서 승수 비트값에 따라 부스 알고리즘이 적용된 피승수의 결과(이하 변형된 피승수라고 약칭함)를 제1 가산기(110)에 인가한다.The
디지털 필터에 있어서 곱셈기의 출력이 동시에 여러개 더해지는 동작은 기본적인 동작이다. 따라서, 제1 가산기(110)는 n개의 부스 곱셈기의 출력(multiple[0],...,multiple[n-1])을 동시에 더해서 배럴 시프터(112)에 인가한다. 이때, 배럴 시프터(112)는 표 1의 부스 테이블을 사용하는 부스 곱셈기이면 제1 가산기(112)의 출력을 1비트단위로 증가해서 시프트시키고, 변형 부스 곱셈기라면 제1 가산기(112)의 출력을 2비트 또는 그 이상의 비트단위로 증가해서 시프트시킨다.In a digital filter, the operation of adding multiple multipliers simultaneously is a basic operation. Accordingly, the
예를 들어 표 1의 부스 테이블을 사용하는 경우라면 배럴 시프터(112)는 제1 가산기(112)의 두 번째 출력부터 1비트 시프트시키고, 제1 가산기(112)의 세 번째 출력은 2비트 시프트시키게 된다. 이 배럴 시프터(112)에 인가되고 있는 제어신호(p)는 미리 정해진 양만큼의 시프트 작용에서 어느 정도를 시프트할 지를 나타내며, 부스 테이블(102)에도 인가되고 있다.For example, when using the booth table shown in Table 1, the
제2 가산기(114)는 배럴 시프터(112)의 출력과 누적기(116)로부터 피드백되는 누적된 값을 가산해서 다시 누적기(116)에 인가해서 반복적인 합에 의해 n개의 피승수와 n개의 승수를 곱하여 모두 합한 결과를 누적기(112)로부터 출력된다.The
따라서, 도 1에 도시된 기존의 부스 곱셈기를 포함한 디지털 필터는 증가기가 필요하게 되고 이 증가기로 인한 전체적인 지연도 발생하게 된다.Therefore, the digital filter including the conventional bus multiplier shown in FIG. 1 requires an increaser, and an overall delay caused by the increaser.
그러나, 본 발명에서 제안하는 부스 곱셈기는 증가기를 필요로 하지 않으며, 이를 채용한 디지털 필터는 입력 비트수 n에 대응한 n개의 부스 곱셈기에서 필요한 각 증가기의 기능을 수행하는 하나의 제2 엔코더(206)를 구성하여 전체적인 지연 감소와 시스템 비용을 감소시킨다.However, the booth multiplier proposed in the present invention does not require an incrementer, and the digital filter employing the same may include one second encoder that performs the function of each incrementer required by the n booth multipliers corresponding to the number of input bits n. 206 to reduce overall delay and system cost.
이러한 디지털 필터의 구조는 도 2에 도시되어 있으며, 입력 비트수에 결정되는 다수의 부스 곱셈기중 설명의 편의상 하나의 부스 곱셈기(200)로만 도시되어 있으며, 본 발명의 부스 곱셈기(200)는 부스 테이블(202)과 제1 엔코더(204)로 구성된다.The structure of the digital filter is shown in FIG. 2, and is shown as one
즉, 입력되는 승수 a[0]에 따라 피승수의 변형 정보를 부스 곱셈기(200)의 부스 테이블(202)로부터 독출하여 제1 엔코더(204)에 인가한다.That is, according to the input multiplier a [0], the deformation information of the multiplier is read from the booth table 202 of the
이때, 제1 엔코더(204)에서 입력되는 피승수 b[0]를 음의 피승수로 변형해야 하는 경우, 제1 엔코더(204)의 출력은 도 1에 도시된 바와 같이 증가기를 이용한 2의 보수 결과가 아니라 피승수를 단순히 인버팅한 즉, 1의 보수로 표현되는 부호화된 결과이고, 이 제1 엔코더(204)의 출력값을 2의 보수로 다시 바꾸는 것은 n개의 합을 구하는 제1 가산기(208)에서 이루어진다. 이 1의 보수는 입력 비트를 단순히 인버팅하면 되므로 증가기와 같은 연산과 지연이 필요없이 간단하게 처리된다.In this case, when the multiplicand b [0] input from the
또한, 제1 엔코더(204)는 음의 피승수로 변형할 때 1의 증가가 필요하다는 제어 정보(c[0])를 제2 엔코더(206)에 출력한다. 이 제1 엔코더(204)에서 2의 보수 연산을 위한 "1"의 증가가 필요로 한다는 제어 정보의 발생은 로직 또는 테이블로 쉽게 구현할 수 있다.In addition, the
따라서, n비트 입력에 대해 동시에 곱셈을 행하는 디지털 필터에 있어서, n개의 부스 곱셈기의 각 제1 엔코더에서 음의 피승수를 생성하기 위해 2의 보수의 연산을 위한 1의 증가가 필요하다는 제어 정보(c[0],...c[n-1])를 발생하고, 제2 엔코더(206)는 이 제어 정보(c[0],...c[n-1])에 따라 n개의 부스 곱셈기중에서 몇 개의 부스 곱셈기에서 음의 피승수로 변형해야 하는 지를 나타내는 증가치(sum)를 발생하도록 되어 있다.Therefore, in a digital filter that performs multiplication on n-bit inputs simultaneously, the control information (c) indicates that an increase of 1 for the calculation of two's complement is required to generate a negative multiplier in each first encoder of the n booth multipliers. [0], ... c [n-1]), and the
즉, 제2 엔코더(206)는 n개의 제어정보(c[0],...c[n-1])를 합해서 부호화된 증가치(sum)를 제1 가산기(208)에 인가한다. 이 제2 엔코더(206)는 단순히 n개의 제어정보(c0,...,c[n-1])의 값중 "1"의 개수를 가산해서 2진수로 표현하는 로직으로 간단히 구성할 수 있다.In other words, the
증가기로 인해 기존에 발생하는 시간 지연은 본 발명에서 제시한 제2 엔코더(206)로부터 출력되는 부호화된 증가치(sum)와 각 제1 엔코더로부터 출력되는 n개의 부호화된 결과(multiple[0],...,multiple[n-1])를 가산하는 제1 가산기(206)를 캐리 세이브 가산기(Carry Save Adder:CSA)로 사용하므로서 줄일 수 있다. 이 캐리 세이브 가산기는 여러개의 입력을 동시에 가산할 때 널리 사용되는 가산기로서 하나의 입력이 추가되더라도 시간지연이 거의 발생하지 않는 특성을 갖고 있다.The time delay that occurs due to the increaser is a coded increment sum output from the
한편, 제1 가산기(208)는 n개의 부스 곱셈기의 출력(multiple[0],...,multiple[n-1])과 제2 엔코더(206)의 출력(sum)을 동시에 더해서 배럴 시프터(210)에 인가한다. 이때 배럴 시프터(210)는 시프트하는 비트수를 제어하는 제어신호(p)에 따라 제1 가산기(208)의 출력을 시프트시킨다. 이 제어신호(p)는 부스 테이블(202)에도 인가되고 있다.On the other hand, the
제2 가산기(212)는 배럴 시프터(210)의 출력과 누적기(214)로부터 피드백되는 누적된 값을 가산해서 다시 누적기(214)에 인가해서 반복적인 합에 의해 n개의 피승수와 n개의 승수를 곱하여 모두 합한 결과가 누적기(214)로부터 출력된다.The
한편, 도 3에서는 예를 들어 각 부스 곱셈기로부터 인가되는 n(=15)개의 출력값(N0-N14)과 제2 엔코더(206)로부터 출력되는 1개의 출력값(N15)을 입력으로 하는 캐리 세이브 가산기가 도시되어 있으며, 제2 엔코더(206)의 출력값(N15)을 입력하는 CSA(216)의 출력은 가장 늦게 더해지는 구조이므로, 기존의 증가기에 의해 발생하던 시간지연을 방지할 수 있다.On the other hand, in Fig. 3, for example, a carry save adder having n (= 15) output values (N0-N14) applied from each bus multiplier and one output value (N15) output from the
여기서, 제2 엔코더(206)의 출력이 인입되는 CSA(216)는 기존의 CSA보다 복잡도는 다소 복잡해지지만 n개의 증가기를 필요로 하는 종래의 디지털 필터보다는 필요로 하는 로직의 양이 적고, 곱셈기의 비트수가 커질수록 하드웨어가 크게 감소된다.Here, the
본 발명은 부스 알고리즘에 의해 음의 피승수를 생성하기 위해 필요한 +1의 증가 기능을 증가기를 사용하지 않고도 구현함으로써 전체 하드웨어의 비용 감소와 또한 증가 기능에 필요한 순차적인 연산을 다른 연산과 동시에 행함으로써 신호처리에 따른 곱셈기의 전체 지연 시간을 감소시키는 효과가 있다.The present invention implements the +1 increment function required to generate a negative multiplicand by the booth algorithm without using an incrementer to reduce the cost of the overall hardware and also to perform the sequential operations required for the increment function simultaneously with other operations. There is an effect of reducing the overall delay time of the multiplier according to the processing.
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