高精度浮点超越函数在科学计算等应用中需求越来越大,双曲函数是超越函数中的一个重要组成部分。早期双曲函数的计算借助软件实现,近年来由于硬件实现超越函数的性能优于软件,硬件实现逐渐获得重视。计算高精度的超越函数时,虽然位宽的增加会带来资源消耗的急剧增加,但数字电路集成规模的扩大为全硬件化高精度浮点运算单元提供设计基础。目前,双曲函数的硬件实现方法主要包含查找表、多项式逼近法、查找表与多项式逼近组合法、逐位迭代法和随机法等方法。CORDIC法作为逐位迭代法中的经典算法,仅需要加法和移位操作即可完成函数计算。因此,本文将在CORDIC四步并行迭代算法这一极具创新性的算法基础上,实现高精度浮点双曲函数运算单元的硬件建模。本文在双曲坐标系的圆周模式和矢量模式下实现双曲系共六个函数,分别是双曲正弦、余弦、正切以及反双曲正弦、余弦和正切函数。CORDIC四步并行迭代算法合并四个单次迭代为一个整体的并行迭代,同时计算Xi,Yi,Zi三个数据通道的共16种可能的情况,根据对应数据通道的结果进行选择。针对圆周模式,根据Zi数据通道的结果选择下一轮迭代的方向判决因子;针对矢量模式,根据Yi数据通道的结果选择下一轮迭代的方向判决因子。与基本CORDIC算法相比,CORDIC四步并行迭代算法想要达到浮点四精度的128位精度,需要的时钟周期只有32个,这在很大程度上降低了电路的延时。本文采用模块化设计思想,将双曲函数浮点运算硬件单元分为三大顶层模块,分别是sinh＿cosh＿tanh函数、arcsinh＿arccosh函数和arctanh函数,对应双曲正弦、余弦和正切函数、反双曲正余弦函数和正切函数。每个顶层模块包括各自的子模块,这些子模块主要是预处理模块、CORDIC定点运算模块、浮点除法模块、浮点开方模块和浮点规格化模块。其中,CORDIC定点运算模块是核心模块,实现了CORDIC四步并行迭代算法,将128位浮点数计算所需的迭代次数缩减至32次。此外,浮点除法模块实现了预测-修正算法,浮点开方模块实现了Gold-Schmidt法,均将128位浮点数计算所需的迭代次数从至少113次缩减至6次。本论文对双曲函数实现了RTL级的建模,基于Verilog硬件描述语言,利用Python环境下的bigfloat函数运算库生成验证测试数据集,数据集涵盖了128位浮点输入域范围的边界、异常输入、次规范数和规范数,基于英特尔公司的Model Sim硬件仿真平台完成运算单元的逻辑功能的仿真验证;在台积电CMOS65nm的标准工艺下,使用新思科技公司的集成逻辑综合工具Design Compiler对其进行了逻辑综合实现。本文设计的双曲函数浮点运算硬件单元完成一次128位浮点计算,需要41个时钟周期,计算误差最大不超过128位浮点尾数的最低位,满足电路设计所提出的精度高、延迟低的要求。DC逻辑综合的结果表明,当电路工作频率为300 MHz时,双曲正余弦函数、双曲正切函数、反双曲正余弦函数和反双曲正切函数运算单元的硬件电路面积分别约为1.3215 mm~2、1.8720 mm~2、2.1056 mm~2和1.7924 mm~2,功耗分别约为12.6 m W、16.9 m W、22.4 m W和15.9 m W。