专用处理器及其设计方法技术

本发明专利技术提供了一个专用处理器的结构和设计方法，此专用处理器具有一个与特定应用的需要相匹配的指令集。此专用处理器的设计方法是基于使用一组预先设计好的功能块（１１１－１１３）。这些功能块封装了特定应用最常用的复杂处理函数。每个预先设计好的特定应用功能块被设计成使得被封装的处理算法的某些参数的值通过寄存器来实现，而这些寄存器可通过编程设定为任意给定的值。每一个预先设计好的特定应用功能块被设计成使得它可以同多用途总线（１１０）进行接口，而通过此多用途总线（１１０）功能块可以接收调用，重设和数据输入输出路由选择指令。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术主要涉及到一复杂的专用集成电路，更具体地说，是一分布式并行处理器结构及使这种复杂集成电路能被容易设计的设计方法。集成电路技术在门电路的集成方面不断向前发展，从很小数量(小于100个晶体管)到大量(成百万个晶体管)。因此，这就使得实现功能愈来愈复杂的集成电路(ICs)成为可能，从而代替大量的分立器件，但在尺寸，成本，可靠性方面与分立器件相当。但是，电路的复杂性和大量的可用晶体管使得设计IC更加困难。因此，开出了很多工具来帮助IC设计者更有效地设计IC。这些工具的目的是为了使设计者更容易地合成目标逻辑，而不必处理晶体管和门电路。在通用的处理器结构中，基本的底层指令(如加，乘，比较等)是由硬件来实现的，这些底层指令被顺序组成一组经编程的指令集合以实现复杂的功能。这样的结构受中央处理单元(CPU)可实现的吞吐量的限制，因为CPU必须满足对于一系列操作的峰值吞吐量的要求。这样的限制经常对硬件提出很高的要求并导致被设计出的硬件利用效率不高。此外，这种集中控制结构的功率管理一般也很困难。为了满足设计吞吐量的目标并且采用有效的硬件实现，设计者经常倾向于使用专用集成电路设计技术，其代价是牺牲由后合成可编程性提供的系统设计灵活性。大体上，开发了两种方法来帮助IC设计者-“标准单元”和“门阵列”技术。这些技术在美国专利No.5,119,314(Hotta等)，5,173,864(Watanabe等)，5,197,016(Sugimoto等)和5,283,753(Schucker等)中有一般的阐述。在标准单元方法中，常用的逻辑块被仔细地设计和存储在单元库中。设计者可以寻找和内连合适的逻辑块以提供所需的功能。通常，这些块是基本逻辑结构，比如NAND或NOR门或其它简单的逻辑块，如加法器或乘法器。逻辑块可通过块的合适的输入/输出端子之间路由选择导线相连。门阵列技术涉及到包含单一集成电路元件(门电路)直到但不包括可寻相连第一层的大量基片的制造。IC设计者只需指定用于内连预制好的门电路的导电模式来“定制”门阵列。这两种方法共有的问题之一是很难使用它们来设计执行复杂功能的IC、这是因为标准单元和门阵列对所有应用的类型来说是基本的简单的逻辑块。因此，这将花费很多时间，技术和努力把这些基本的结构单元集成为有用的专用集成电路。此外，布局和时间安排的限制及用于内连这些逻辑块的设计努力通常会限制了设计者的自由和增加了设计时间。作为例子，用于通讯的电路一般执行复杂的信号处理操作。这样电路的例子是有限脉冲响应滤波器，无限脉冲响应滤波器，解调器和相关器。这些电路包括复杂的数学算法，而这些算法只有相当熟练的工程师才能理解和设计。因此，使用可由标准单元和门阵列技术得到的基本结构单元实现这些电路是非常冗长乏味的。一些与使用标准单元和门阵列设计方法的复杂集成电路的设计相关的布局限制由Schucker等人做了解决。其中描述的块结构的集成电路的设计方法允许先前开发的逻辑块的重用，但它没有讨论内连各种逻辑块的复杂性。此外，被描述的集成电路的设计方法不提供功率管理，而功率管理是包含大量门电路的复杂IC设计的重要因素。有些电子系统制造者采用了完全不同的策略来解决以上的问题。他们使用通用IC，如微控制器和数字信号处理器而不依赖于定制IC。这些IC每秒能执行大量的指令。一般使用软件来定制这些IC的功能。使用通用IC的其中一个问题是这些IC不可能达到与专用IC相比拟的吞吐量。在处理速度是关键因素的很多应用中，比如高速通讯系统，通用IC的性能是无法接受的。而且，软件的使用不会改变对相当熟练的工程师的需要，以实现复杂处理算法。Sugimoto等公开了一计算机辅助系统及包含一通用处理器和连接在数据、地址和控制总线上的多个逻辑块的专用集成电路的设计方法。这个设计方法有几个缺点。首先，这种方法缺少执行由集成硅软件编译器合成为硬件块的逻辑块的后合成编程能力；即，基本的支持功能，如比较器，加法器，乘法器和计数器，加入这些基本功能块可增强系统的吞吐量。此外复杂算法的处理需要仍是在软件中实现，因而仍需要熟练的设计者来设计复杂系统。此外，由Sugimoto等描述的集成电路的设计方法不包括功率管理。因此，存在这样的需求，即需要一个块结构的专用集成电路和允许把复杂的专用处理封装成功能块并能在不同的设计中重用的设计方法，并且这些功能块能被后合成编程以满足高效的专用集成电路设计发展和升级的需要。专利技术概要本专利技术包括一专用处理器(ASP)结构(能在单个基片上实现)和使用专用指令集合的设计方法。每个指令指定一高阶的适用于某类特定应用的操作和处理函数。某类特殊应用的处理需要(如通讯产品)被首先分析和组合成操作，此应用最常用的处理算法被组合成功能块以便捕获非常复杂的，频繁使用的数据类型转换，使之组合成单一的功能块。每一个功能块对应于该指令集的一个专用的指令。这些专用指令实现为被设计成由多用途总线内连的硬件功能块。使用中，内连硬件功能块按照由设计者指定的指令程序的顺序排列以实现特定应用。在很多功能块中，由功能块实现的处理算法的某些参数的值可使用寄存器来指定，而这些寄存器可通过编程设定为多个可能值中的一个。因此，每一个功能块可被设计者视为参数可编程的专用的高阶操作或指令。每一个这样的功能块包括多个低阶的原语，这些原语被安排和组合到一起以形成专用的高阶操作。因为每个功能块对于特定应用来说是一高阶操作，这些功能块可以看成是形成一种专用语言的‘文法’(syntax)，即这些功能块包含用于对ASP的操作进行编程的专用语言的代码段。因此，被本专利技术的系统和方法所使用的功能块可互换地称为“应用文法”或“应用元件”。库中的每个应用文法还包括将功能块接口至多用途总线的接口模块。应用文法可以看成是集成电路的构造块，它们关于某一目标技术(如，特殊的微电子集成技术，如CMOS)被预先设计，实现和优化。预设计的专用功能块(应用文法)被组合在一设计库中以便于以下所述本专利技术ASP的设计过程。设计者首先分析特定应用的设计要求，然后用库中所选的专用功能块的子集来描述这些要求，好象他是在使用专用指令写程序。选定的功能块然后通过封装在每个功能块中的标准多用途总线接口进行连接。集成的设计就可以被合成为可编程ASP集成电路。已合成ASP集成电路的后合成裁剪通过使用指令程序来完成，此指令程序顺序调用每个专用功能块并为每个功能块提供重设和数据输入输出的路由选择指令。功率管理设计方案包含在每个专用功能块的设计中，它允许大多数的功能块逻辑只有当执行接受到一调用指令的时间内才能打开。根据本专利技术ASP的设计通过使用高级的编程语言得以简化，这样设计者可以把系统级的要求直接转换成ASP的实现，而不必深入了解与每个应用文法相关的复杂算法。使用这种语言，根据本专利技术的ASP可用一简单程序来设计，此简单程序指定了不同的应用文法间的关系，每个应用文法的各参数，包括输入输出位置、设置和相对于多用途总线时钟每个应用文法的调用时间。未被指定的参数被设为预定义的默认值。本专利技术的ASP结构和设计方法可用于设计许多种的产品。例如，若库中包括与通讯系统相关的应用文法，则它就可用来设计蜂窝电话，无线局域网，个人通讯网和数字电缆网这样的产品。结果，设计应用文法的费用就可本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过集成选出的包含在库中的预先设计好的元件设计的单片半导体器件，所说器件包括： 用于传递信号的总线；和 多个应用单元，通过所说总线通讯并协调地执行用户设计的功能，所说多个应用单元从所说库中选出； 每个被选的应用单元包括： 一可编程功能块，根据具有时间和参数变量的命令指令执行预定义功能；其中所说时间变量定义了所说功能块的调用时间，所说参数变量定义了所说功能块的处理功能，和 一接口块，把所选应用单元与所说总线接口以接收所说的命令指令。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：H埃戈罗里，DA麦克尼尔，CA克劳斯，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]