[发明专利]适用于高效数字信号处理的数据处理器及其方法

说明书

技术领域

一般而言，本发明系有关于数据处理器，且更特别的是，有关于能够执行数字信号处理功能的数据处理器。

背景技术

过去数十年以来，集成电路制造技术的进步已使以微处理器为基底的计算机系统由大型仓库移到桌上且目前已变成手持装置，例如个人数字助理(PDA)、行动电话、智能型行动电话(smart phone)、视讯游戏机、及其类似物。标准计算机系统系以3种主要的组件定义：中央处理单元(CPU)、内存、以及输入/输出周边。不过，CPU与现在甚至内存及有些输入/输出电路已被组合于单一集成电路芯片内。这些极其复杂的装置(有时被称作系统单芯片(systems-on-chip，SOC))已大幅降低手持装置的成本同时提供许多有用的功能。

同时也已改变处理工作(processing task)的类型。先前的微处理器系以整数、布尔数据类型执行整数算术及逻辑指令。尽管仍然需要此类运算，对某些装置而言，附加的特别处理(specialized processing)也很有用。特别处理之一例子为浮点算术(floating point arithmetic)。浮点算术在数学导向的运算中很有用，例如复杂的图形。不过，在设计成处理整数及布尔数据类型的通用微处理器上执行浮点算术需要复杂的软件例程(software routine)，且处理相对慢。为了符合此需求，微处理器设计者发展出浮点协处理器(floating-point coprocessor)。协处理器为一种数据处理器，其系经设计成特别处理特定的工作(task)以便分担另一处理器(通常为系统内的CPU)的一些处理工作。浮点算术协处理器，例如最早由圣克拉拉(美国加州)的英特尔公司制造的80287浮点算术协处理器在1980年代的桌上型计算机系统很常见。浮点协处理器能改善计算机系统效能系藉由以专用电路高效地处理复数的浮点计算。

手持装置也需要数种特别处理工作。例如，经常要使用数字信号处理器(DSP)处理频域内的语音讯号(speech signal)。因此，手持装置中似乎自然要添加DSP协处理器至通用数据处理器。

手持装置较佳也使用高度整合的SOC以减少组件数及成本。迄今为止，SOC中已经难以整合DSP协处理器与通用CPU。SOC的设计哲学需要可模块化的电路板(circuit block)以便能重复使用。设计时通常以CPU为“核心”且用计算机辅助设计(CAD)技术用高阶描述(high leveldiv)进一步予以合成。然而，协处理器与CPU的指令管线(instruction pipeline)需要复杂的互动，而且为适应DSP协处理器而改变CPU的设计会破坏模块性(modularity)。

由于有此困难，有些设计已使用与CPU并排的分离式通用DSP。该DSP系与CPU类似，因为它是存取它自己的内存，有它自己的指令集(instruction set)，以及它自己的操作系统，且需要一组它自己的开发工具。不过，这些特征会增加手持装置的成本。此外，CPU与DSP之间的通讯要使用共享内存，而且在两种装置之间传送操作数及结果的负荷(overhead)量相当大。因此，专用DSP处理的优点部份被额外的复杂性及成本抵销。

为了克服这些困难，在SOC设计中使用模块化的处理器核心，有些制造商最近已设计出带有外加“挂钩”的处理器核心以便用于具有视需要之协处理器的系统。例如，美普思(MIPS)科技公司(山景城，美国加州)所售之4KES^TM RISC微处理器核心包含一组特殊的协处理器指令与专用接口以便容许指令及资料可在CPU核心与协处理器之间流通。因此，当CPU核心译码此类特殊协处理器指令中之一个时，它由寄存器文件(register file)撷取适当的操作数且通过特殊接口将操作数与指令一起传送到协处理器。在协处理器执行指令时暂停CPU核心的管线。当协处理器送回指令的结果时，CPU核心存储该结果于寄存器文件内且继续管线中的处理指令。

因此，需要一种利用RISC微处理器核心之此一新性能的数据处理器以提供更小、耗电量更低、可用于手持电子装置及其类似物的SOC。

发明内容