專利名稱：實現(xiàn)對數(shù)運算的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，特別是涉及一種實現(xiàn)對數(shù)運算的裝置。本發(fā)明還涉及 一種實現(xiàn)對數(shù)運算的方法。
背景技術(shù)：
對數(shù)運算一般的可以表示成Y = Ioga (X)，其中X是輸入，a稱為底數(shù)，常用的底數(shù) 有2，e，10。對數(shù)運算有許多應(yīng)用，其中包括自動增益控制，在自動增益控制中需要計算信 號的功率值，為了便于后面的處理，往往需要轉(zhuǎn)換成分貝，即Y = 20 X Iogltl (X)，其中X代表 信號的幅度測量值。這就需要一種合適的計算對數(shù)的裝置。對數(shù)運算目前已有很多方法，一類比較直接的方法是查表，即把X的每個值所對 應(yīng)的對數(shù)值存到表中。這種方法對于精度要求不高以及X的動態(tài)范圍有限的場合下是合適 的，但是在自動增益的應(yīng)用場合往往要求較大的動態(tài)范圍和較高的精度，即使采用分段查 表的方法，其復(fù)雜度仍比較高。另外一類方法是采用冪級數(shù)展開或者數(shù)值遞推等數(shù)值計算 方法(參見《高級FPGA設(shè)計結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)和優(yōu)化》----(美)克里茲著，孟憲元譯機械工業(yè)出 版社2009)。這類方法精度很高但是計算復(fù)雜，需要多次迭代計算，往往還需要先對X作歸 一化操作(Prescaling)，收斂速度慢。另外上述方法都不夠靈活，不能通過簡單的改動來實 現(xiàn)不同精度不同底數(shù)的對數(shù)運算。這就需要一種簡單的，又能靈活配置的對數(shù)運算裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種實現(xiàn)對數(shù)運算的裝置，能夠根據(jù)需要進(jìn)行靈 活配置實現(xiàn)不同精度不同底數(shù)的對數(shù)運算，并且結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)的低復(fù)雜度；為此，本發(fā)明 還要提供一種實現(xiàn)對數(shù)運算的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實現(xiàn)對數(shù)運算的裝置包括輸入控制邏輯模塊，用于把輸入X的值轉(zhuǎn)換成A，B, S的值，并賦值給寄存器A，寄 存器B，寄存器S，初始化所述寄存器；寄存器A，寄存器B，寄存器S，其輸入端與輸入控制邏輯模塊連接，分別用于存儲 A，B，S的值；寄存器K，其輸出端與迭代比較控制模塊連接，用于存儲設(shè)定的常數(shù)K，且K為大于 1的有理數(shù)；一累加器CNT，其輸入端與迭代比較控制模塊連接，輸出端與MUX模塊連接，在所 述迭代比較控制模塊的控制下進(jìn)行累加計算；迭代比較控制模塊，與所述寄存器A，寄存器B，寄存器K，累加器CNT連接，用于以 迭代方式獲得對數(shù)運算結(jié)果；MUX模塊，根據(jù)累加值CNT的值和寄存器S中的符號指示位S，得到最終的對數(shù)結(jié) 果 Y，Y = SXCNT。本發(fā)明的實現(xiàn)對數(shù)運算的方法包括如下步驟
步驟一、將輸入X的值拆分為或近似為分子除以分母的形式，將分子分母中大的 值賦給寄存器A，將分子分母中較小的值賦給寄存器B，根據(jù)X是否大于1來預(yù)先確定對數(shù) 的符號并存儲給寄存器S ；步驟二、迭代比較寄存器A中的數(shù)值A(chǔ)與寄存器B中的數(shù)值B與常數(shù)K的乘積 KXB,同時更新加器CNT和寄存器B的值，直至A彡KXB為止；步驟三、根據(jù)累加器CNT和寄存器S的值確定最終的對數(shù)計算結(jié)果Y。本發(fā)明實現(xiàn)簡單，復(fù)雜度低，無需查表，只需幾次加減法運算操作即可得到最終的 對數(shù)計算結(jié)果；操作靈活，通過配置不同的參數(shù)(常數(shù)K)即可實現(xiàn)不同精度不同底數(shù)的對 數(shù)運算。


下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明圖1是本發(fā)明的對數(shù)運算方法一實施例控制流程圖；圖2是本發(fā)明的對數(shù)運算裝置一實施例結(jié)構(gòu)框圖；圖3是圖2中的迭代比較狀態(tài)機的控制流程圖。
具體實施例方式參見圖1所示，在一實施例中所述實現(xiàn)對數(shù)運算的方法包括如下步驟步驟一、根據(jù)輸入X的值初始化寄存器A，B和S。將X的值近似成分子除以分母的 形式，并把分子分母中較大的值賦給寄存器A，把較小的值賦給寄存器B。即當(dāng)X小于1時， X ^ B/A, S = -1 ；當(dāng) X 大于等于 1 時，X A/B, S = 1。步驟二、迭代比較寄存器A的值A(chǔ)與寄存器B中的數(shù)值B與K的乘積K X B，同時更 新一個累加器CNT和寄存器B的值，直至AS KXB為止。根據(jù)獲得的寄存器A的值A(chǔ)和寄存器B的值B，通過以下的迭代過程來更新累加器 CNT以及寄存器B的值(1)累加器CNT清零；(2)比較A和■，如果A > K*B則進(jìn)入(3)，如果A ( K*B則進(jìn)入(4)；(3)累加器加1，即CNT = CNT+1，更新寄存器B的值，即B = KXB,返回⑵；(4)迭代過程結(jié)束，輸出累加器CNT的值。其中，K是可配置的參數(shù)(常數(shù)，且K為大于1的有理數(shù))，通過配置不同的K值可 以實現(xiàn)不同精度不同底數(shù)的對數(shù)運算。實施步驟二時，無論輸入X的值大小，迭代比較過程完全相同。實施步驟二時，只 需要通過配置不同的K值實現(xiàn)不同精度不同底數(shù)的對數(shù)運算，迭代比較過程完全相同。步驟三、根據(jù)累加器CNT和寄存器S的值來確定最終的結(jié)果Y。根據(jù)累加值CNT和 步驟1獲得的符號指示位s(寄存器S的值)來得到最終的對數(shù)結(jié)果Y，Y = SXCNT。參見圖2所示，在一實施例中所述實現(xiàn)對數(shù)運算的裝置包括寄存器A，連接在初始化邏輯(輸入控制邏輯)模塊與迭代比較狀態(tài)機(迭代比較 控制模塊)之間；對輸入X的值近似成分子除以分母的形式后，將分子分母中較大的值賦值 給A，并將賦值后的A存儲在寄存器A中。
寄存器B，連接在初始化邏輯模塊與迭代比較狀態(tài)機之間；對輸入X的值近似成分 子除以分母的形式后，將分子分母中較小的值賦值給B，并將賦值后的B存儲在寄存器B中。所述寄存器A和寄存器B位寬相同均為M比特位，例如M= 16比特位。M也可稱為字長，根據(jù)硬件來決定，通常都是字節(jié)(8比特)的整數(shù)倍。對于一些通 用處理器(MCU)或者通用數(shù)字信號處理器(DSP)，字長是確定好的，無法由使用者改變，常 用的字長有8，16，32比特。而對于專用的硬件，比如可編程門陣列(FPGA)，字長可以由設(shè)計者自由決定，上述 實施例中采用的就是這種方式，并且取16比特。寄存器K，其輸出端與迭代比較狀態(tài)機連接，用于存儲常數(shù)K，K為可配置且為大于 1的有理數(shù)。存儲一個有理數(shù)可以拆分成多段，因為大于1的有理數(shù)總可以拆分成整數(shù)位+分 數(shù)位+分母位。而整數(shù)位，分?jǐn)?shù)位和分母位都可以用整數(shù)來表示了。例如為了表示K = 9/8，K = 1 (整數(shù)位)+1 (分子)/8 (分母)，只需要分別存儲1，1，和8就可以了。寄存器S，1比特位，其輸入端與初始化邏輯模塊連接，輸出端與MUX模塊連接，用 于存儲符號指示位S，當(dāng)X小于1時，即X B/A，S = -1 ；當(dāng)X大于等于1時，即X A/B， S = 1。累加器CNT，其輸入端與迭代比較狀態(tài)機連接，輸出端與MUX模塊連接，在所述迭 代比較狀態(tài)機的控制下進(jìn)行累加計算。初始化邏輯模塊，根據(jù)輸入X的值初始化寄存器A，寄存器B和寄存器S。為實現(xiàn)簡單，設(shè)定A = 2H，這樣只要根據(jù)X來計算B，具體操作如下當(dāng)X小于1 時，設(shè)X B/A，取B = Ixnmd(XXZH)，S = ！，代表對數(shù)的結(jié)果為負(fù)值；當(dāng)X大于等于1時，
設(shè)X A/B，取B= round(去X2N_1)，S = 0，代表對數(shù)的結(jié)果為正值。
JC這樣無論X的取值如何總有A彡B，從而使得后面的迭代比較邏輯更簡單。迭代比較狀態(tài)機模塊即迭代比較控制模塊是一個狀態(tài)機，以圖2所示的實施例， 在自動增益控制中需要的運算是分貝運算Y = 20X Iog10 (X)，并且精度是1分貝；為此，配 置K = 9/8 = 1+1/8，所以KXB = B+B/8 ；而B/8只需通過將B右移3位操作即可實現(xiàn)而無
需除法。所述迭代比較狀態(tài)機模塊的控制流程如圖3所示。比較 A 和 B+B/8 ；如果Α-Φ+Β/8) > 0，則累加器CNT的值加1，并且更新寄存器B的值，即B = B+B/8 ；重復(fù)比較操作；當(dāng)A-(B+B/8) ( 0則結(jié)束比較，并根據(jù)寄存器S中寄存的符號指示位S的情況輸 出最終的結(jié)果Y，即如果S = 0，則Y = -CNT ；如果S = 1，則Y = CNT。MUX模塊，根據(jù)累加值CNT的值和寄存器S中的符號指示位S，得到最終的對數(shù)結(jié) 果 Y，Y = SXCNT。下面的例子能進(jìn)一步說明本發(fā)明的靈活性和可配置性。比如，需要奈培運算Y = In(X)，并且精度是0.5奈培；為此可以配置K = 13/8 = 1+5/8，所以KXB = B+5XB/8，5 X B/8同樣不需要乘除法。迭代比較過程與上面一致，只是在輸出時有所不同，即如果S = 0，則 Y = -CNT/2 ；如果 S = 1，則 Y = CNT/2。 以上通過具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對本發(fā)明的限 制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)對數(shù)運算的裝置，其特征在于，包括輸入控制邏輯模塊，用于把輸入X的值轉(zhuǎn)換成A，B, S的值，并賦值給寄存器A，寄存器 B，寄存器S，初始化所述寄存器；寄存器A，寄存器B，寄存器S,其輸入端與輸入控制邏輯模塊連接，分別用于存儲A，B， S的值；寄存器K，其輸出端與迭代比較控制模塊連接，用于存儲設(shè)定的常數(shù)K，且K為大于1的有理數(shù)；一累加器CNT，其輸入端與迭代比較控制模塊連接，輸出端與MUX模塊連接，在所述迭 代比較控制模塊的控制下進(jìn)行累加計算；迭代比較控制模塊，與所述寄存器A，寄存器B，寄存器K，累加器CNT連接，用于以迭代 方式獲得對數(shù)運算結(jié)果；MUX模塊，根據(jù)累加值CNT的值和寄存器S中的符號指示位S，得到最終的對數(shù)結(jié)果Y。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述輸入控制邏輯模塊按照如下方式將輸 入X的值轉(zhuǎn)換成A，B，S的值；設(shè)定A = 2N_\當(dāng)X小于1時，取B = round(XX2^1), S = 1，代表對數(shù)的結(jié)果為負(fù)值；當(dāng)X大于等于1時，取B= round(^X2N1),S = 0，代表對數(shù)的JC結(jié)果為正值。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述迭代比較控制模塊控制迭代的過程是 比較A和KXB，如果A > KXB，則累加器CNT的值加1，并且更新寄存器B的值，即B = KXB， 然后重復(fù)比較操作；當(dāng)A < KXB則結(jié)束比較，并根據(jù)符號指示位S輸出最終的對數(shù)計算結(jié) 果Y，即如果S = 0，則Y = -CNT ；如果S = 1，則Y = CNT。
4.一種實現(xiàn)對數(shù)運算的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、將輸入X的值拆分為或近似為分子除以分母的形式，將分子分母中大的值賦 給寄存器A，將分子分母中較小的值賦給寄存器B，根據(jù)X是否大于1來預(yù)先確定對數(shù)的符 號即符號指示位S并存儲給寄存器S ；步驟二、迭代比較寄存器A中的數(shù)值A(chǔ)與寄存器B中的數(shù)值B與常數(shù)K的乘積KX B，同 時更新加器CNT和寄存器B的值，直至A彡KXB為止；步驟三、根據(jù)累加器CNT和寄存器S中符號指示位S的值確定最終的對數(shù)計算結(jié)果Y。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于實施步驟二時，無論輸入X的值大小，迭代 比較過程完全相同。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于實施步驟二時，只需要通過配置不同的K值 實現(xiàn)不同精度不同底數(shù)的對數(shù)運算，迭代比較過程完全相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)對數(shù)運算的裝置，輸入控制邏輯模塊，用于把輸入X的值轉(zhuǎn)換成A，B，S的值，并賦值給寄存器A，寄存器B，寄存器S，初始化所述寄存器；寄存器K，其輸出端與迭代比較控制模塊連接，用于存儲設(shè)定的常數(shù)K；累加器CNT，在迭代比較控制模塊的控制下進(jìn)行累加計算；迭代比較控制模塊，用于以迭代方式獲得對數(shù)運算結(jié)果；MUX模塊，根據(jù)累加值CNT的值和寄存器S中的符號指示位S，得到最終的對數(shù)結(jié)果Y。本發(fā)明還公開了一種實現(xiàn)對數(shù)運算的方法。本發(fā)明能夠根據(jù)需要進(jìn)行靈活配置實現(xiàn)不同精度不同底數(shù)的對數(shù)運算，并且結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)的低復(fù)雜度。
文檔編號G06F7/556GK102103480SQ200910202008
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者張帆, 金方其 申請人:卓勝微電子(上海)有限公司