[發明專利]面向通信和多媒體應用的單指令多數據處理器電路結構

有效

• 申請號: 201010179340.7
• 申請日: 2010-05-20
• 公開（公告）號: CN101876892A
• 公開（公告）日: 2010-11-03
• 發明（設計）人: 肖瑞瑾;權衡;虞志益;曾曉洋
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G06F9/38
• 分類號: G06F9/38;G06F15/80
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

1.一種面向通信和多媒體應用的單指令多數據處理器電路結構，其特征在于，由SIMD整數運算單元，流水線控制單元，處理器異常控制單元，SIMD乘除法運算單元，擴展寄存器文件單元共計五個模塊組成；

SIMD整數運算單元，支持SIMD指令與普通RISC指令兩種模式的運算，其中SIMD指令定義為，單條指令對多個數據同時運算；

流水線控制單元，適用于SIMD指令與普通指令模式下，對指令流水中的數據相關、控制相關和結構相關進行判定并對指令流水做相應的調整；

處理器異常控制單元，適用于SIMD指令與普通指令模式下，對指令流水中的中斷、異常指令情況作相應處理；

SIMD乘除法運算單元，負責普通指令和SIMD指令的標量-標量乘除法運算、乘加乘減運算，以及SIMD指令模式下向量-標量乘法運算；

適用于SIMD運算的擴展寄存器文件單元，在現有開源RISC架構寄存器文件基礎上，將地址空間由32個擴展到64個，并添加相應的映射表配置映射關系，適用于SIMD指令運算，增加SIMD指令的并行計算能力；

當指令被發射到SIMD處理器內核中，首先被SIMD整數運算單元獲取，經過其內部的譯碼模塊得到相應控制信號；控制信號將傳輸到流水線控制單元和處理器異常控制單元，得到相應的流水線控制操作；同時根據具體的指令，SIMD乘除法單元將獲得輸入操作數與操作模式信號，給出運算結果；擴展寄存器文件單元將根據每條指令的需求讀出或寫入具體寄存器單元的值。

2.根據權利要求1所述的電路結構，其特征在于，SIMD整數運算單元可以同時兼容開源精簡指令集(RISC)架構指令與新添加的SIMD指令，它由取指模塊，譯碼模塊，SIMD移位模塊，SIMD算術邏輯運算模塊，邏輯1計數模塊，數據前推模塊，數據獲取模塊，數據對齊模塊組成；其中：

取指模塊根據發射的指令判斷是否取入下一條指令，當流水線控制模塊要求插入空指令或重復執行上一條指令時，取指模塊不接受下一條指令輸入；當完成取值后，指令將流入譯碼模塊；譯碼模塊根據指令編碼判斷為普通的RISC架構指令或者為添加的SIMD運算指令，產生相應的控制信號；之后指令將流入數據運算通路，根據指令和譯碼信號產生的結果訪問適用于SIMD指令的擴展寄存器文件單元取得操作數，或者通過數據獲取模塊訪問內存獲得操作數，之后通過SIMD算術邏輯運算模塊、移位模塊、邏輯1計數模塊或者SIMD乘除法模塊對數據進行運算；流水線控制單元和處理器異常控制單元根據指令和譯碼模塊產生的控制信號，判斷指令的相關性和合法性，對指令流水線做相應調整；數據的運算結果通過數據對齊模塊按照規范的存儲格式重新存放，然后根據指令寫入SIMD寄存器文件模塊或者寫入內存；最后，為了適用于多核互聯，增添相應的與多核網絡路由器通信的先入先出隊列(FIFO)端口，并且將FIFO端口映射到擴展的寄存器文件地址空間中，加快處理器與FIFO通信的效率。

3.根據權利要求1所述的電路結構，其特征在于，SIMD算術邏輯運算單元、乘除法運算單元和數據移位單元同時支持開源RISC架構下乘除法運算指令執行，也支持新添加SIMD指令的執行；SIMD模式分為4比特，8比特，16比特和32比特四種位寬模式，其中32比特模式為開源RISC架構指令集運算模式；在SIMD模式下，一個32比特的寄存器看做8個4比特子寄存器，或者4個8比特子寄存器，或者2個16比特子寄存器；SIMD指令利用已有的32比特寄存器位寬，在不同位寬模式下將其看成多個特定位寬的數據，實施單條指令對多個數據的并行操作。

除依據數據的位寬分類外，SIMD指令根據參與運算數據邏輯關系，分為標量-標量模式和向量-標量模式；標量-標量模式下，在SIMD算術邏輯運算單元、乘除法運算單元和數據移位單元中，數據根據對應比特位確定邏輯關系參加運算，為一對一的形式；在向量-標量模式下，數據的邏輯關系由指令顯式指定，實現多對一的運算；同時，配套增加向量-標量模式下的寄存器傳輸，數據訪問指令以及相應的跳轉控制指令；

此外，SIMD算術邏輯運算單元、乘除法運算單元采用可重構設計方法，最大程度地復用硬件，保證了靈活性的同時節省了硬件開銷。