超越函数是指不能通过有限次四则运算得到的非线性函数,其被广泛应用于电力、电机控制、物联网等领域。浮点超越函数运算是浮点处理器执行算法过程中的一个重要环节,其运算速度直接影响了浮点处理器的性能。目前对于超越函数硬件加速器的研究大多数只支持一种超越函数,当支持多种超越函数时,通常伴随着硬件资源浪费的问题,并且无法在计算精度和计算延迟之间做到合适的平衡。此外,处理器和超越函数硬件加速器之间一般采用协处理器的方式通信,导致处理器的整体性能偏低。因此研究设计一款支持超越函数运算的高性能浮点处理器具有重要意义。本文提出一种可重构超越函数硬件加速器的设计架构。首先采用分段查表法结合二项式运算的方法,对各个超越函数的核心计算单元进行平均分段和二项式拟合,得到高精度的二项式系数查找表,从而实现高精度、高性能的超越函数硬件算法;然后采用可重构技术,规划各个超越函数的数据通路,使用同一个核心计算模块实现了正弦、余弦、反正切、指数和对数函数的硬件实现,最大程度地减小超越函数硬件加速器的面积。经过测试,该硬件加速器精度可以达到7.268×10-8,计算延迟为17.39ns,面积为15062.91um~2,相较于独立实现的五种超越函数的硬件面积总和,该硬件加速器面积减小了30.48%。基于上述硬件加速器,本文设计了一款用于浮点超越函数快速运算的高性能浮点RISC-Ⅴ处理器。利用ASIP designer开发工具,设计了支持压缩指令、乘除法拓展指令以及浮点F拓展指令和浮点ZFINX拓展指令的三级流水线架构的RISC-Ⅴ处理器;然后添加自定义指令以支持浮点超越函数运算,并且使用多周期处理器描述语言将超越函数硬件加速器和处理器进行紧耦合设计。针对超越函数浮点RISC-Ⅴ处理器,搭建了仿真平台,从功能仿真和应用测试层面进行了功能验证,并通过逻辑综合和功耗分析进行PPA评估和优化。功能仿真验证了该处理器对指数函数进行计算的最大相对误差不大于5.125×10-8,对其他超越函数进行运算的最大绝对误差不大于7.268×10-8。在UMC 40nm工艺库下,超越函数浮点处理器的工作频率能达到350MHz,面积为57945.87um~2,功耗为5.871mW。在含有超越函数的应用算法上进行测试,证明了本文提出的紧耦合设计方法相较于协处理器设计方法性能提高23.59%。此外,本文提出的基于超越函数硬件加速器的高性能浮点RISC-Ⅴ处理器相对于现有先进的通用RISC-Ⅴ浮点处理器相比,整体性能提升约4.34倍。