支持标向量协同工作的向量SIMD运算结构制造技术

本发明专利技术公开了一种支持标向量协同工作的向量SIMD运算结构，其包括：统一取指和指令派发部件，用来同时为标量处理单元SPU、向量处理单元VPU和向量阵列存储器AM派发指令；标量处理单元SPU，用来负责串行任务的处理，以及对向量处理单元VPU执行的控制；向量处理单元VPU，用来负责计算密集的并行任务处理；向量阵列存储器AM，用来为并行与多宽度的向量运算提供数据及搬移支持；DMA单元，用来为标量处理单元SPU、向量处理单元VPU提供指令和数据。本发明专利技术能够提高整体的执行效率和并行性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及到微处理器结构与设计领域，特指一种支持标向量协同工作的向 量sn?运算结构。
技术介绍
数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP)作为一种典型的嵌入式微处 理器被广泛应用于嵌入式系统中，它以其数据处理能力强大、可编程性好、使用灵活和低功 耗等特点，给信号处理的发展带来了巨大机遇，其应用领域拓展到军事、经济发展的各个方 面。在现代通信、图像处理和雷达信号处理等应用领域，随着数据处理量加大，对计算精度 和实时性要求的增加，通常需要使用更高性能的微处理器进行处理。 区别于传统的CPU，DSP具有以下特点：（1)计算能力强，关注实时计算胜于关注控 制和事务处理；（2)对于典型信号处理设有专门硬件支持，如乘加运算、线性寻址；(3)嵌入 式微处理器的共性特征：地址和指令通路不多于32位，多数数据通路不多于32位；非精确 中断；短期离线调试、长期在线驻留运行的程序工作方式（而非通用CPU调试即运行的方 法）；(4)集成外设接口以快速外设为主，特别利于在线收发高速AD/DA数据，也支持DSP间 高速直连。 通用科学计算需要高性能的DSP，然而传统DSP用于科学计算时有以下缺点：（1) 位宽小，使得计算精度和寻址空间不足。通用科学计算应用至少需要64位精度；（2)缺乏 任务管理、文件控制、进程调度、中断管理等软硬件支持，或者说缺乏操作系统硬件环境，给 通用、多道计算任务管理带来不便；（3)缺乏统一高级语言编程模式的支持，对多核、向量、 数据并行等的支持基本依靠汇编程序编程，不便于通用编程；(4)不支持本地宿主的程序 调试模式，仅依靠它机交叉调试仿真。这些问题严重限制了DSP在通用科学计算领域的应 用。 有从业者提出了一种"通用计算数字信号处理器"（GPDSP)，这是一种既保持嵌入 式DSP基本特征和高性能低功耗的优势，又高效支持通用科学计算的新型体系结构一一多 核微处理器（GPDSP)。该结构能够克服一般DSP用于科学计算的上述问题，可同时提供对 64位高性能计算机和嵌入式高精度信号处理的高效支持。该结构具有如下特征：（1)具有 双精度浮点和64位定点数据的直接表示，通用寄存器、数据总线、指令位宽64位以上，地址 总线40位以上；（2)CPU与DSP异构多核紧密耦合，CPU核支持完整操作系统，DSP核的标量 单元支持操作系统微核；（3)考虑CPU核、DSP核及DSP核内向量阵列结构的统一编程模式； (4)保持它机交叉仿真调试，同时提供本地CPU宿主调试模式；（5)保留除位数之外的普通 DSP的基本特征。 另有从业者提出一种"具有开关矩阵存储器的数据混洗单元"，其公开了一种数据 混洗单元实现结构及数据混洗方法，将程序中的混洗请求转化为开关矩阵存储器中的开关 矩阵，从而实现数据选择和重组。该混洗单元具有结构简单、灵活高效和任意节点混洗的特 点。GPDSP通常由多个同构64位处理单元组成处理阵列来获得较高浮点运算能力。然 而，GPDSP使用众多处理单元开发通用科学计算并行性时还存在如下几个问题：（1)如何组 织众多同构处理单元，使其高效开发通用科学计算中的多个层次的并行性；（2)如何有效 协调用于控制的标量运算单元和用于计算的向量运算单元；（3)如何对通用科学计算中的 矩阵类运算提供支持，利用矩阵类运算中的大量数据复用特性来提高对众多同构处理单元 的供数能力，进而提高GPDSP的计算效率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一 种能够提高执行效率和并行性的支持标向量协同工作的向量sn?运算结构。 为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案： -种支持标向量协同工作的向量SIMD运算结构，其包括： 统一取指和指令派发部件，用来同时为标量处理单元SPU、向量处理单元VPU和向 量阵列存储器AM派发指令； 标量处理单元SPU，用来负责串行任务的处理，以及对向量处理单元VPU执行的控 制； 向量处理单元VPU，用来负责计算密集的并行任务处理； 向量阵列存储器AM，用来为并行与多宽度的向量运算提供数据及搬移支持；DMA单元，用来为标量处理单元SPU、向量处理单元VPU提供指令和数据。 作为本专利技术的进一步改进：所述统一取指和指令派发部件在执行过程中采用可变 长的NSI+NVI发射VLIW指令结构，同时取指和派发NSI条标量指令和NVI条向量指令，这NSI+N" 条指令同时支持条件执行、中断和异常处理。 作为本专利技术的进一步改进：所述标量处理单元SPE由NSMM个MAC单元和NSIEU个定 点执行单元IEU组成，这NSI条流水线并行执行VLIW指令包中的NSI条标量指令，执行科学 应用中的串"?丁运算，其中NSI =NSMAC+NSIEU〇 作为本专利技术的进一步改进：所述向量处理单元VPU由NVPE个同构向量运算单元VPE 构成，在统一的指令流控制下对不同数据执行相同的操作，其中NVPE为2的幂次方。 作为本专利技术的进一步改进：所述向量运算单元VPE包含NVMM个MAC单元和N_,个 定点执行单元IEU，这NVI条流水线并行执行VLIW指令包中的NVI条向量指令，执行科学应 用中的并行运算，其中NVI=Nvmac+Nvieu。 作为本专利技术的进一步改进：所述向量运算单元VPE之间的数据交互通过规约网络 和混洗网络完成。 作为本专利技术的进一步改进：所述标量处理单元SPU与向量处理单元VPU和向量阵 列存储器AM之间各设计了一条64位的配置通路，通过MOV指令实现对向量处理单元VPU 和向量阵列存储器A中的全局控制配置寄存器的访问。 作为本专利技术的进一步改进：所述标量处理单元SPU与向量处理单元VPU之间还有 两条标量处理单元SPU到向量处理单元VPU的数据广播传递机制，分别支持单字广播指令 和双字广播指令；所述单字广播指令为：将SPU寄存器文件中的单字广播到NVPE个VPE的向量寄存 器中同一位置；执行的过程中对NVPE个VPE中的寄存器文件进行一次写操作，完成64*NVPE位 数据的传输； 所述双字广播指令为：将SPU寄存器文件中的一对数据Src_〇:Src_e广播到Nvpe 个VPE中的寄存器文件中的Dst_〇:Dst_e中，寄存器对使用偶数表示即VR0代表VR1 :VR0 ; 执行的过程中对NVPE个VPE中的寄存器文件进行一次写操作，完成128*NVPE位数据传输； 两条标向量广播通路并行执行双字广播操作能够实现256*NVPE位数据的传输。 与现有技术相比，本专利技术的优点在于： 1、本专利技术为一种适合多核微处理器GPDSP的标量和向量协同工作的紧親合向量 SIMD(SingleInstructionMultipleData-stream，单指令多数据流）运算结构。米用可 变长的多发射VLIW(VeryLargeInstructionWord，超长指令字）指令结构，同时取指派发 NSI条标量指令和NVI条向量指令，标量运算单元SPE和向量运算单元VPE同时执行VLIW中 并行指令。该运算结构中的向量运算单元包括NVPE(NVPE为2的幂次方）个同构向量运算单 元VPE，对不同数据执行相同的指令；SPE与VPE之间的数据交互通过寄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种支持标向量协同工作的向量SIMD运算结构，其特征在于，包括：统一取指和指令派发部件，用来同时为标量处理单元SPU、向量处理单元VPU和向量阵列存储器AM派发指令；标量处理单元SPU，用来负责串行任务的处理，以及对向量处理单元VPU执行的控制；向量处理单元VPU，用来负责计算密集的并行任务处理；向量阵列存储器AM，用来为并行与多宽度的向量运算提供数据及搬移支持；DMA单元，用来为标量处理单元SPU、向量处理单元VPU提供指令和数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈书明，彭元喜，雷元武，万江华，郭阳，田甜，彭浩，徐恩，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43