[發明專利]一種應用于處理器的寄存器控制SIMD指令擴展方法

有效

• 申請號: 202110075334.5
• 申請日: 2021-01-20
• 公開（公告）號: CN112764810B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 張紅升;姜澤坤;劉挺;丁太云;劉紅江
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G06F9/38
• 分類號: G06F9/38;G06F9/30
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 李朝虎

本發明公開了一種應用于處理器的寄存器控制SIMD指令擴展方法，基于寄存器控制的SIMD指令擴展，通過在處理器中增加一個存儲器映射的控制寄存器，實現對處理器SIMD操作的控制，SIMD控制寄存器為32位，所述SIMD控制寄存器中的高16位保留，可以自行定義其功能，如設計為掩碼位等；所述低16位為實際控制位，分別包含了對整數操作的SIMD控制與浮點操作的SIMD控制；實現了基于寄存器控制的SIMD指令擴展，通過在處理器中增加一個存儲器映射的控制寄存器，實現對處理器SIMD操作的控制；本發明將處理器的SIMD指令中對SIMD控制的部分全部取出，交由上述控制寄存器進行控制，因此可以實現在不改動處理器指令和匯編編譯器的情況下實現處理器對SIMD指令的支持。

技術領域

本發明涉及處理器指令擴展領域，具體涉及一種應用于處理器的寄存器控制SIMD指令擴展方法。

背景技術

當今處理器所需處理的數據量和復雜性均快速增長，對微處理器的要求也越來越高。同時，通過提高時鐘頻率來提升處理器性能會受到功耗，工藝的限制，流水線級數的增加也會帶來一定的負面影響，因此，不同等級的并行操作被引入到處理器中。單指令多數據(SIMD)即為數據級并行，它通過允許對多個數據元素并行執行基本操作而減少指令數量，可以提升應用程序性能。

在現代處理器中SIMD擴展指令相當重要。以目前主流的X86指令集架構為例，從其誕生到現在的四十余年時間里，逐漸發展出了諸多的擴展指令集。其中既有擴展64位支持的X86-64指令集，又有用于并行數據計算與多媒體任務的MMX、SSE、AVX和FMA等指令集，也有用于加密的AES和SHA指令集，以及用于虛擬化的VT-x指令集等等，這些擴展指令集可以在特定場景極大地加速處理器的執行速度。此外，上述指令集中絕大多數都是SIMD擴展指令集。而在ARM陣營，則從ARMv7-A指令集架構開始支持Neon技術。Neon技術是一種用于Cortex-A系列和Cortex-R52處理器的用于加速數字信號處理的SIMD架構擴展，ARMv8.2-A指令集架構中則添加了可伸縮向量擴展指令集SVE，此外，ARM還有用于Armv8.1-M架構的Helium擴展。

隨著嵌入式芯片處理能力和功能的快速發展，多媒體已成為嵌入式系統的重要應用之一，并且需要具備高品質播放、低功耗和靈活擴展等特點。為了滿足這些要求，目前的方案大多采用基于可編程媒體處理器的硬件架構。由于媒體處理算法具有小位寬和高并行的特點，適合采用并行硬件體系結構，近年來，嵌入式媒體處理器中越來越多地采用RISC和SIMD的混合架構來解決處理器在媒體處理能力方面的瓶頸。

為了實現指令擴展，需要對新指令進行編碼，由于指令編碼空間有限，因此擴展的SIMD指令會擠占未來其他指令的空間。當擴展的SIMD指令操作數較多時，32位處理器的指令長度可能無法滿足編碼要求，需要單獨設計更長的指令。更長的指令會導致處理器中的譯碼模塊設計更加復雜，同時也會增加指令cache的壓力，擴展新的指令需要增加處理器譯碼部分的規模，而且擴展的指令越多，譯碼單元的復雜度也會更高。擴展新指令需要對編譯器進行修改，且擴展指令越多對編譯器的修改也越多，否則編譯器將無法編譯出支持所擴展指令的程序。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是傳統解決處理器SIMD指令擴展需要增加新的指令、需要增加處理器譯碼模塊規模和需要修改匯編編譯器的技術問題，目的在于提供一種應用于處理器的寄存器控制SIMD指令擴展方法，適用于單線程、單發射處理器，通過在處理器中增加一個存儲器映射的控制寄存器，實現對處理器SIMD操作的控制。

本發明通過下述技術方案實現：