一种基于存储器内计算的处理器结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于存储器内计算的处理器结构，所述处理器架构包括：存储模块、控制运算模块和存储内计算模块。所述存储模块包括指令存储器子模块和数据存储器子模块；所述控制运算模块包括取指令子模块、算术逻辑子模块、存储器控制子模块和总线接口子模块；所述存储内计算模块包括存储内计算控制子模块和具有存储内计算的存储子模块。本发明专利技术提供的改进的处理器架构，在现有处理器中引入存储内计算模块，具有功耗低、高性能的特点。

A processor architecture based on in memory computing

【技术实现步骤摘要】
一种基于存储器内计算的处理器结构
本专利技术涉及处理器硬件设计
，具体为一种基于存储器内计算的处理器结构。
技术介绍
伴随着电子学和集成电路技术的发展、智能电子设备的普及，使用电池供电的物联网设备在医疗、工业、交通、家居、金融等方面逐渐被得到广泛应用。伴随着物联网的发展，大数据等其他与之相关的技术正使物联网设备产生的数据变得越来越有价值，更容易受到黑客的窃取和破坏。为了保证数据传输时的隐私性和安全性，物联网设备除基础功能外，对其产生的数据进行加密变得十分必要。由区块链维护的分布式数据集可有效提升物联网设备的数据隐私性和安全性，但区块链中关键的哈希算法较为复杂，且随着对安全性要求的提高，较为简单的第一代哈希算法已逐渐被淘汰，第二代哈希算法也正逐步被更复杂、冗长的第三代哈希算法替代。对于较为复杂的算法，直接通过硬件实现加密算法往往具有较大的面积代价，这将增加芯片成本，从而制约物联网的发展。传统的加密方法一般基于通用处理器和加密软件，将数据从存储器中取出、运算后存入。这种方法具有很好的灵活性，改变存储器中的指令代码即可实现不同的算法，但在数据大量传输的过程中，时间成本和功耗代价都比较大，而这种影响对由电池供电的微型设备尤其关键。物联网设备常被应用于无人监控的环境并由电池供电，在一些场合甚至要求连续工作数年而无需充电或更换电池。对物联网设备，低功耗要求与安全性和功能的要求逐渐难以同时满足。针对传统软件方法的问题，在传统处理器上增加由专用集成电路或协处理器担任的加速器可以在一定程度上提升速度降低功耗，但它们仍存在着问题，具体表现在：协处理器结构复杂，引入会协处理器带来较大的面积代价，且能够带来的功耗降低不够显著；专用集成电路只能实现特定算法，缺乏灵活性。此外，采用这两种方法仍然需要将大量数据在处理器和加速器之间搬运，功耗仍有提升的空间。与上述方法不同，存储内计算技术旨在减少数据在总线上的搬运。传统通用处理器中有大量数据在中央处理器和存储器之间的总线上搬运，导致功耗提升和性能受限。存储内计算则通过修改存储器模块，使存储器能够执行简单的逻辑功能，从而减少存储器和中央处理器之间的数据搬运，且由于需要实现的逻辑功能简单，需要的芯片面积也不大。存储内计算技术能在保持系统灵活性的同时有效降低功耗并提升性能，而且不会有很大的面积代价。然而，存储内计算电路不同于能够直接完成复杂逻辑功能的专用集成电路或协处理器，需要和通用处理器的协同使用，而现有的处理器在与存储内计算协同工作下的技术仍不完善，无法高效工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于存储器内计算的处理器结构，包括存储模块、控制运算模块和存储器内计算模块；所述存储模块存储处理器运行的软件指令与所需的和产生的数据；所述控制运算模块负责处理器的逻辑功能控制并完成通用处理器的算术运算功能；所述存储器内计算模块具有存储的存储器，能够存储数据并独立完成所存储数据的算术运算功能。进一步的，所述存储器内计算模块包括存储内计算控制子模块和具有存储内计算的存储子模块；所述存储内计算控制子模块用于存储器内计算子模块的时序控制，所述具有存储内计算的存储子模块用于需要进行存储内计算的数据存储和存储内计算逻辑；所述存储内计算控制子模块的输入端与算术逻辑模块相连，存储内计算控制子模块的输出端与具有存储内计算的存储子模块相连。进一步的，所述存储器内计算模块与控制运算模块直接相连，不以总线的形式相连。进一步的，所述具有存储内计算的存储子模块包括存储阵列、存储内计算电路和数字辅助逻辑；所述存储内计算电路用于对从存储阵列中取出的数据进行计算和读写逻辑，包括加法、异或、与、或运算和读写逻辑；所述数字辅助逻辑用于存储阵列的行列选择和从存储阵列中取出的数据的移位运算；所述存储阵列用于存储数据。进一步的，所述控制运算模块包括取指令子模块、算术逻辑子模块、存储器控制子模块；所述取指令子模块的输入端与存储模块相连，输出端与算术逻辑子模块输入端相连；所述算术逻辑子模块输出端分别与存储器控制子模块输入端和存储器内计算模块输入端相连；所述存储器控制子模块输出端与存储模块相连；所述取指令子模块用于从存储模块中取出指令并送往算术逻辑子模块；所述算术逻辑子模块判断指令为算术逻辑运算、存储器访问指令或存储内计算指令；若为算术逻辑运算，则算术逻辑子模块完成对应运算；若为存储器访问指令，则算术逻辑子模块处理指令并将数据送往存储器控制子模块；若为存储内计算指令，则算术逻辑子模块处理指令并将数据送往存储器内计算模块；所述存储器控制子模块用于处理存储模块的存储器访问指令。进一步的，所述存储模块包括数据存储器子模块和指令存储器子模块；所述数据存储器子模块用于存储处理器运行时需要和产生的数据，所述指令存储器子模块用于存储处理器运行时需要的指令；所述数据存储器子模块与存储器控制子模块相连；所述指令存储器子模块分别与取指令子模块和存储器控制子模块相连。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的基于存储器内计算的处理器架构，在处理器运行时不需要运算模块和存储模块之间进行大量数据搬运，一方面减小了处理器完成特定算法所需的功耗，另一方面提升了处理器的性能，并且无需过大的电路面积开销。附图说明图1为本专利技术实施例的基于存储器内计算的处理器结构示意图；图2为本专利技术实施例的具有存储内计算的存储模块的结构示意图；图3为本专利技术实施例的带存储内计算电路的存储阵列结构示意图；图4为本专利技术实施例的带有存储内计算的存储器中的数据分配示意图；图5为本专利技术实施例处理器指令集架构图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种含有存储内计算的高性能低功耗的处理器架构。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例的基于存储器内计算的处理器结构示意图，如图1所示，具有存储内计算的存储模块包括：控制运算模块121、存储内计算模块122和存储模块123。控制运算模块121包括总线接口子模块101、取指令子模块102、算术逻辑子模块103、存储器控制子模块104、系统总线111和写回线112；所述存储内计算模块122包括存储内计算控制子模块105和具有存储内计算的存储模块106；存储模块123包括指令存储器子模块107和数据存储器子模块108。总线接口子模块101和系统总线111用于处理器和外部总线信号的连接；取指令子模块102用于从指令存储器子模块107取指令送入算术逻辑子模块103处理；算术逻辑子模块103首先进行指令译码，若指令为通用处理器需完成的运算指令则由算术逻辑子模块103一并完成，若指令为存储内计算指令则将指令交给存储内计算控制子模块105处理，若指令为通用处理器需完成的访存指令则交给存储器控制子模块104处理；存储器控制子模块104完成数据的存取、通过写回线112写回寄存器；存储内计算控制子模块105控制存储内计算指令的时序逻辑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于存储器内计算的处理器结构，其特征在于，所述架构包括存储模块、控制运算模块和存储器内计算模块；所述存储模块存储处理器运行的软件指令与所需的和产生的数据；所述控制运算模块负责处理器的逻辑功能控制并完成通用处理器的算术运算功能；所述存储器内计算模块具有存储的存储器，能够存储数据并独立完成所存储数据的算术运算功能。

【技术特征摘要】
1.一种基于存储器内计算的处理器结构，其特征在于，所述架构包括存储模块、控制运算模块和存储器内计算模块；所述存储模块存储处理器运行的软件指令与所需的和产生的数据；所述控制运算模块负责处理器的逻辑功能控制并完成通用处理器的算术运算功能；所述存储器内计算模块具有存储的存储器，能够存储数据并独立完成所存储数据的算术运算功能。2.根据权利要求1所述的一种基于存储器内计算的处理器结构，其特征在于，所述存储器内计算模块包括存储内计算控制子模块和具有存储内计算的存储子模块；所述存储内计算控制子模块用于存储器内计算子模块的时序控制，所述具有存储内计算的存储子模块用于需要进行存储内计算的数据存储和存储内计算逻辑；所述存储内计算控制子模块的输入端与算术逻辑模块相连，存储内计算控制子模块的输出端与具有存储内计算的存储子模块相连。3.根据权利要求1所述的一种基于存储器内计算的处理器结构，其特征在于，所述存储器内计算模块与控制运算模块直接相连，不以总线的形式相连。4.根据权利要求2所述的一种基于存储器内计算的处理器结构，其特征在于，所述具有存储内计算的存储子模块包括存储阵列、存储内计算电路和数字辅助逻辑；所述存储内计算电路用于对从存储阵列中取出的数据进行计算和读写逻辑，包括加法、异或、与、或运算和读写逻辑；所述数字辅助逻辑用于存储阵列的...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛小勇，
申请(专利权)人：上海埃络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31