Στα σύγχρονα ψηφιακά συστήματα η ανάγκη για γρήγορους υπολογισμούς είναι πλέον από τους πιο καθοριστικούς παράγοντες. Άλλοι ιδιαίτερα κρίσιμοι παράγοντες είναι η απαιτούμενη επιφάνεια του κυκλώματος και η κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, ο χρόνος παραμένει ένας από τους πιο σημαντικούς για πλήθος εφαρμογές. Τα αριθμητικά κυκλώματα, όπως αθροιστές, πολλαπλασιαστές και κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο, είναι πλέον αναπόσπαστο κομμάτι των ψηφιακών κυκλωμάτων, γι’ αυτό η επιτάχυνση των λειτουργιών αυτών είναι ένας στόχος στην κατεύθυνση του οποίου πολλές διαφορετικές αρχιτεκτονικές έχουν προταθεί. Η μείωση της καθυστέρησης στις αριθμητικές μονάδες θα δώσει μεγάλη βελτίωση στη συνολική απόδοση των συστημάτων, μιας και οι περισσότερες εφαρμογές εμπεριέχουν πλήθος αριθμητικών πράξεων. Η πράξη της ύψωσης στο τετράγωνο αποτελεί ειδική περίπτωση της πράξης του πολλαπλασιασμού, στην οποία ο πολλαπλασιαστέος ισούται με τον πολλαπλασιαστή. Ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούμε εξειδικευμένα κυκλώματα για την πράξη αυτή είναι η εκμετάλλευση του γεγονότος ότι τα δύο έντελα είναι ίσα, κάτι που οδηγεί σε ελαχιστοποίηση του χρόνου που απαιτείται για την ολοκλήρωση της πράξης, αλλά και μείωση της απαιτούμενης επιφάνειας. Η πράξη της ύψωσης στο τετράγωνο χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές των υψηλής απόδοσης επεξεργαστών ψηφιακού σήματος (digital signal processors – DSP). Τέτοιες εφαρμογές συμπεριλαμβάνουν φιλτράρισμα σήματος (signal filtering), επεξεργασία εικόνας (image processing), και διαμόρφωση για τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Η πράξη της ύψωσης στο τετράγωνο μπορεί, επίσης, να χρησιμοποιηθεί αποδοτικά στην υλοποίηση κρυπτογραφικών αλγορίθμων για την αποφυγή της χρονοβόρας διαδικασίας της ύψωσης σε δύναμη. Το Σύστημα Αριθμητικής Υπολοίπων (RNS), είναι ένα αριθμητικό σύστημα το οποίο παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα στην ταχύτητα με την οποία μπορούν να γίνουν οι αριθμητικές πράξεις. Στο RNS οι αριθμοί αναπαρίστανται σαν ένα σύνολο από υπόλοιπα. Για να αναπαραστήσουμε έναν αριθμό ορίζουμε ένα σύνολο από πρώτους μεταξύ τους ακεραίους που ονομάζεται βάση του συστήματος P={p1,p2,…pk}. Η αναπαράσταση ενός αριθμού X στο RNS ορίζεται ως το σύνολο των υπολοίπων του Χ ως προς τα στοιχεία της βάσης Ρ. Προκύπτει, έτσι, ότι X={x1,x2,…,xk} όπου το xi είναι το υπόλοιπο της διαίρεσης του X με το στοιχείο της βάσης pi και συμβολίζεται με Xi=|X|pi. Κάθε ακέραιος Χ που ανήκει στο εύρος τιμών 0<=X<M, όπου Μ είναι το γινόμενο όλων των στοιχείων της βάσης P, έχει μοναδική αναπαράσταση στο RNS. Μια αριθμητική πράξη δύο εντέλων, η οποία μπορεί να είναι πρόσθεση, αφαίρεση ή πολλαπλασιασμός, ορίζεται ως εξής: {z1,z2,…,zk} = {x1,x2,…,xk}*{y1,y2,…,yk}, όπου zi = (xi*yi) modpi. Συνεπώς, κάθε αριθμητική πράξη εφαρμόζεται σε παράλληλες μονάδες (μία για κάθε στοιχείο της βάσης), καθεμία από τις οποίες διαχειρίζεται μικρούς αριθμούς (υπόλοιπα), αντί μιας μονάδας που θα χρειαζόταν να διαχειριστεί μεγάλους αριθμούς. Ένα από τα πιο δημοφιλή σύνολα βάσης είναι αυτά της μορφής {2^n, 2^n -1, 2^n+1}, λόγω του ότι προσφέρουν πολύ αποδοτικά κυκλώματα με κριτήριο το γινόμενο της επιφάνειας επί το τετράγωνο της καθυστέρησης (area * time^2), καθώς επίσης και αποδοτικούς μετατροπείς από και προς το δυαδικό σύστημα. Για το λόγο αυτό η υλοποίηση αποδοτικών modulo(2^n-1) και modulo(2n+1) κυκλωμάτων είναι σημαντική. Το πρόβλημα που παρουσιάζεται είναι ότι ενώ οι modulo(2^n) και modulo(2^n-1) αριθμητικές χρειάζονται το πολύ n δυαδικά ψηφία για την αναπαράσταση όλων των δυνατών υπολοίπων, στη modulo(2^n+1) αρχιτεκτονική χρειάζονται (n+1) ψηφία. Το πρόβλημα αυτό λύνεται με τη χρήση diminished-1 αναπαράστασης. Στη diminished-1 αναπαράσταση, κάθε αριθμός Χ αναπαρίσταται ως X-1=X-1. Έτσι, απαιτούνται n δυαδικά ψηφία για την αναπαράσταση, χρειάζονται, όμως, κυκλώματα μετατροπής από και προς την diminished-1 αναπαράσταση. Όταν χρησιμοποιείται η diminished-1 αναπαράσταση η τιμή εισόδου ίση με 0 χειρίζεται ξεχωριστά. Στα πλαίσια της εργασίας αναλύονται υπάρχουσες αρχιτεκτονικές και προτείνονται νέες για κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο στο Σύστημα Αριθμητικής Υπολοίπων (RNS). Οι προτεινόμενες αρχιτεκτονικές βελτιώνουν την καθυστέρηση και, ταυτόχρονα, μειώνουν τις απαιτήσεις σε επιφάνεια. / Fast computations are of major importance in modern digital systems. Other critical factors are the area and the energy consumption. However, delay is still one of the most important ones for a variety of applications. Due to the fact that arithmetic circuits, such as adders, multipliers and squarers, have been integral components of most digital systems, many schemes have been proposed in the direction of accelerating arithmetic operations. As most applications contain a big number of arithmetic operations, delay reduction in arithmetic units will lead to significant improvement in the total system’s performance. Squaring is a special case of multiplication, where the multiplier equals the multiplicand. The reason for using a special circuit for squaring is to benefit from the fact that the two operands are equal, which reduces the delay and the area needed for the calculation of the square. The squaring operation is used in many applications of high performance digital signal processors. Such applications include signal filtering, image processing and modulation of communication components. Squarers can also find applicability in several cryptographic algorithms for the implementation of modular exponentiations. The Residue Number System is an arithmetic system in which arithmetic operations can be calculated in high speed. In the RNS numbers are represented as a set of residues. In order to represent a number we define a set of pairwise relative prime integers P={p1,p2,…pk}, which is the system’s base. Every number X is represented with the set of the residues occurred after the division of X by each element of the base, P. Thus, X={x1,x2,…,xk}, where xi stands for the residue of the division of X by the ith element of the base, pi, which is denoted as Xi=|X|pi. In the RNS there is a unique representation for every integer X that 0<=X<M, where M is the product of all the elements of the base. A two-operant arithmetic operation, which can be an addition, a subtraction or a multiplication, is defined as {z1,z2,…,zk} = {x1,x2,…,xk}*{y1,y2,…,yk}, where zi = (xi*yi) modpi. Consequently, arithmetic operations are performed to parallel units (one unit for each element of the base) each one handling small residues, instead of a single unit that handles large numbers. One of the most popular base sets is those of the form {2^n, 2^n -1, 2^n+1}, due to the fact that they offer very efficient circuits when considering the area*time^2 criterion and efficient converters from/to the binary system. Thus, the design of efficient modulo (2^n-1) and modulo (2^n+1) circuits is of high importance. The problem that arises is that while in modulo(2^n) and modulo(2^n-1) arithmetic n bits are sufficient for the representation of all possible residues, in modulo(2^n+1) arithmetic (n+1) bits are needed. This can be solved by the use of the diminished-1 representation. In the diminished-1 representation every number X is represented as X-1=X-1. Therefore, n bits are sufficient for the representation, but converters from/to the diminished-1 representation are needed. In cases that the diminished-1 representation is used, operands with value 0 is treated separately. For the needs of this thesis, existing architectures of squaring circuits in the RNS are studied and new ones are proposed. The proposed architectures improve the system’s delay, while, in parallel, reduce the area needs.

Η υλοποίηση αποδοτικών αριθμητικών κυκλωμάτων αποτελεί ένα ανοικτό πεδίο έρευνας καθώς η συνεχής εξέλιξη της τεχνολογίας απαιτεί την επανεκτίμηση των μεθόδων σχεδίασής τους, ενώ παράλληλα δημιουργεί νέους τομείς εφαρμογής τους. Ο τεράστιος όγκος πληροφορίας και η ανάγκη γρήγορης επεξεργασίας της έχει οδηγήσει στην ανάγκη αύξησης της συχνότητας λειτουργίας των αντίστοιχων κυκλωμάτων. Μεγάλης σημασίας παραμένει επίσης η ανάγκη για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος των συστημάτων αυτών, αλλά και του κόστους τους, που συνδέονται άμεσα με την επιφάνεια ολοκλήρωσής τους. Η ικανοποίηση των παραμέτρων αυτών επιτάσσει σε διάφορες περιπτώσεις την υιοθέτηση αριθμητικών συστημάτων, πέραν του συμβατικού δυαδικού συστήματος. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων (Residue Number System – RNS) όπως επίσης και τα αριθμητικά συστήματα πλεοναζουσών αναπαραστάσεων (redundant number systems). Η διδακτορική αυτή διατριβή ασχολείται με την υλοποίηση αποδοτικών κυκλωμάτων για το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων, με την έρευνα να επικεντρώνεται στην υιοθέτηση τόσο πλεοναζουσών όσο και μη-πλεοναζουσών αναπαραστάσεων στα διάφορα κανάλια επεξεργασίας του. Το πρώτο μέρος της διατριβής έχει ως στόχο τη σχεδίαση αποδοτικών κυκλωμάτων υπολοίπων με χρήση μη-πλεοναζουσών αναπαραστάσεων τόσο για τις κύριες-βασικές αριθμητικές πράξεις (πρόσθεση, πολλαπλασιασμός) όσο και για τις δευτερεύουσες-βοηθητικές (αφαίρεση, ύψωση σε δύναμη) πράξεις. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται κυκλώματα αφαίρεσης και πρόσθεσης/αφαίρεσης για κανάλια υπολοίπου της μορφής 2^n+-1, κυκλώματα πολλαπλασιασμού με σταθερά για το σύνολο διαιρετών {2^n-1, 2^n, 2^n+1} καθώς και κυκλώματα Booth πολλαπλασιασμού προγραμματιζόμενης λογικής για τα κανάλια υπολοίπου 2^n+-1. Επιπλέον, παρουσιάζονται κυκλώματα ύψωσης στον κύβο για το κανάλι υπολοίπου 2^n-1. Προτείνεται επίσης μια οικογένεια αριθμητικών κυκλωμάτων (αθροιστές, αφαιρέτες, πολλαπλασιαστές, κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο) υπολοίπου 2^n+1 για την αναπαράσταση ελάττωσης κατά 1, που ενσωματώνουν τη μετατροπή του αποτελέσματος στην κανονική αναπαράσταση μέσα στην αρχιτεκτονική τους, ενώ παρουσιάζεται και μία ενιαία μεθοδολογία σχεδίασης κυκλωμάτων ανάστροφης μετατροπής για σύνολα διαιρετών με κανάλια της μορφής 2^n+1 που υιοθετούν την αναπαράσταση ελάττωσης κατά 1. Τέλος, διερευνούνται και οι διαιρέτες της μορφής 2^n-2 και προτείνονται για αυτούς αποδοτικές αρχιτεκτονικές κυκλωμάτων πρόσθεσης, πολλαπλασιασμού, ύψωσης στο τετράγωνο και ευθείας μετατροπής. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής το ενδιαφέρον εστιάζεται σε μία διαφορετική κατηγορία αναπαραστάσεων, οι οποίες παρέχουν περισσότερους από ένα δυνατούς τρόπους κωδικοποίησης των εντέλων τους. Οι πλεονάζουσες αυτές αναπαραστάσεις παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως η δυνατότητα εξισορρόπησης ταχύτητας και επιφάνειας υλοποίησης. Στη διατριβή εξετάζονται τρεις πλεονάζουσες αναπαραστάσεις για το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων με κανάλια διαιρετών της μορφής 2^n+-1 και παρουσιάζεται μία γενικευμένη μεθοδολογία διαχείρισης των ψηφίων τους, η οποία εφαρμόζεται στη σχεδίαση κυκλωμάτων μετατροπής. Στο τελευταίο μέρος περιγράφονται δύο εφαρμογές συστημάτων που βασίζονται στο Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων. Αναλυτικότερα, σχεδιάζεται και υλοποιείται ένα σύστημα ανίχνευσης ακμών σε εικόνα με ένα στάδιο προ-επεξεργασίας για μείωση του θορύβου καθώς και τρία φίλτρα πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης. / The implementation of efficient arithmetic circuits has always been an open field for research, since the technology evolves rapidly, demanding the reevaluation of their design methods. At the same time this continuous evolution opens new research areas for these circuits. The need for fast processing of a vast amount of information demands an increase of the operational frequency of the corresponding circuits, while at the same time low power consumption, low cost and therefore low area remain of crucial importance. Meeting these needs in arithmetic circuits usually implies the employment of alternative, non-binary number systems. Such examples are the Residue Number System (RNS) and number systems with redundant representations. The subject of this PhD dissertation is the implementation of efficient arithmetic circuits for the RNS emphasizing both in redundant and not redundant representations. The first part of the dissertation deals with the design of efficient non-redundant arithmetic circuits for main arithmetic operations such as addition and multiplication that are met in every processing system, as well as for auxiliary operations like subtraction, squaring and cubing. Specifically, the circuits presented include subtractors and adders/subtractors for the moduli channels of the 2^n+-1 form, single-constant multipliers for the {2^n-1, 2^n, 2^n+1} moduli set, configurable modulo 2^n +-1 Booth-encoded multipliers as well as modulo 2^n-1 cubing units. Furthermore, a family of diminished-1 modulo 2^n+1 arithmetic circuits (adders, subtractors, multipliers and squarers) is also presented, that produces the respective result directly to weighted (normal) representation, embedding that way the conversion process between these two representations. The design of efficient Residue-to-Binary converters is also considered and a novel generic methodology is proposed for the systematic design of those circuits. The modulo 2^n-2 channel is also investigated and an arithmetic processing framework is proposed including adders, multipliers, squarers and Binary-to-Residue converters. In the second part, we focus on a different category of representations, where operands can be encoded in more than one ways. Such representations offer certain characteristics such as a tradeoff between area and speed. In particular, we consider three redundant representations for the RNS processing channels of the 2^n+-1 form, which are the most common choice. A generic methodology is presented for treating their digits in order to design efficient converters for them. The last part of the dissertation presents two applications that are implemented entirely in the RNS domain. Their architectures rely on the proposed arithmetic circuits. The first application is an image edge detector with a pre-processing noise filtering stage. The second application involves the design of three Finite Impulse Response (FIR) filters.