随着军事、雷达、卫星等应用需求的不断提升,关于高精度浮点超越函数的实现不断被提出。其中,反正余弦函数运算单元在数据分析、气象计算、信号处理等领域有着非常重要的应用,因此高性能浮点反正余弦函数运算单元的设计与实现对现代工程应用具有重大意义。目前,反正余弦函数运算单元的实现方法主要包含查找表、泰勒多项式逼近等方法,这些方法虽在低位宽运算中保证了一定的运算性能,但当位宽不断增加,其资源开销也随之急剧增加。本论文中采用的坐标旋转数字计算机算法（Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC）仅利用加法和移位运算完成函数计算,这极大的降低了运算的复杂度,为提高运算单元的性能提供了新思路。同时,芯片集成规模的不断增大为高精度浮点超越函数运算单元的全硬件化设计提供了基础。本文基于CORDIC迭代算法,完成了128位浮点反正余弦函数运算单元的硬件设计。本文改进了圆周坐标系向量模式下的CORDIC算法,设计了一种针对反正余弦函数运算的四步并行迭代算法。该算法基于传统的CORDIC算法,采用合并的策略,一个时钟周期内同时完成四次单步迭代,同时通过并行计算Xi,Yi,Zi的16种情况,对下次四步迭代旋转判决因子进行预测。随后,根据Y路径传出的方向判决因子,对16组并行计算中的正确输出结果进行选择,完成当次迭代。与传统CORDIC算法相比,在规定的输入范围内,改进后的四步并行CORDIC迭代算法仅需36个时钟周期就可以达到113位精度要求,这大大降低了计算延时,提高了运行效率。本文采用模块化设计思想,将反正余弦函数浮点运算单元硬件结构分为预处理模块、定点运算模块、浮点规则化三个模块。定点运算模块又可以分为四步并行旋转迭代模块、泰勒多项式逼近模块以及等价模块。预处理模块主要实现了输入浮点数的解码及异常值检测功能,即将输入的浮点数转化为CORDIC算法可计算的定点数值,并保证在算法收敛域内;定点运算模块将改进后的四步并行CORDIC迭代算法以及应用于小数值区间的泰勒多项式逼近法进行了硬件实现;而浮点规则化模块主要对定点运算模块的输出结果进行前导零检测、舍入处理,最后将定点反正余弦值转换为128位标准浮点输出。论文采用了Verilog语言对反正余弦函数进行RTL级建模,利用Modelsim平台对其仿真及验证,最后基于TSMC-65 nm工艺完成了设计的DC综合。在测试过程中,通过Python的bigfloat包输出大量的128位浮点随机数据,并利用Python生成的理想计算结果与本设计的仿真结果进行了数据对比。由测试结果可知,本设计在计算周期仅为36个时钟的情况下完成运算,且浮点反正余弦函数运算单元在全域[-1,1]的输入范围内,最大运算误差不超过1 bit,高质量的实现了精度要求。综合结果表明,整体设计的工作频率可达到500 MHz,反正余弦函数运算单元估计的硬件面积约为2.3471 mm~2。综上,本设计达到了预期目标,最终实现了高精度浮点反正余弦函数运算单元的硬件设计。