[发明专利]用于执行交叉积指令的处理器和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及图像处理的领域，特别是涉及支持图像处理的矢量单元。

背景技术

从三维场景呈现二维图像的处理一般被称为图像处理。图像处理的特定目标是要尽可能逼真地进行二维模拟或呈现三维场景。这种对呈现更逼真的场景的追求导致了更加复杂的图像和新型的复杂图像处理方法。

代表三维场景的二维图像一般显示于监视器或一些类型的显示屏上。当代的监视器通过使用像素显示图像。像素是监视器上可被照亮的最小空间区域。最新的计算机监视器使用几十万或几百万像素的组合以构成整个显示或呈现的场景。各单个像素被配置在网格图案中，并共同覆盖监视器的整个观看区域。各单个像素可被照亮以呈现最终的观看用图片。

一种使用像素将真实世界三维场景呈现到二维监视器上的方法被称为光栅化。光栅化是采取以矢量格式(场景内的几何对象的数学表示法)表现的二维图像并将图像转换成单个像素用于在监视器上显示的过程。光栅化在迅速呈现图形和使用相对较低的量的计算能力方面是有效的；但是，光栅化存在一些缺点。例如，由于光栅化不是基于光的物理性能，而是基于投影到二维平面上的场景中的三维几何对象的形状，因此它常缺少真实感。并且，用光栅化呈现场景所需要的计算能力直接随要被呈现的场景中的对象的复杂性增加按比例增加。随着图像处理变得更逼真，呈现的场景变得更复杂。因此，由于光栅化直接随复杂性按比例增加，因此随着图像处理发展光栅化处于不利地位。

另一种使用像素将真实世界三维场景呈现到二维监视器上的方法被称为射线跟踪。射线跟踪技术将呈现与光线类似的假想的射线的传播描绘到要被呈现到计算机屏幕上的三维场景中。射线源自坐在计算机屏幕后的观看者的眼睛并通过构成计算机屏幕的像素向三维场景行进。各被跟踪的射线进入场景中并且会与场景内的对象相交。如果射线与场景内的对象相交，那么对象的性能和几种其它的起作用的因素，例如，光源的影响，被用于计算暴露于射线的颜色和光的量或它们的缺乏。这些计算然后被用于确定跟踪的射线穿过的像素的最后颜色。

跟踪射线的过程对于单一场景被实施许多次。例如，单一射线可对于显示中的各个像素被跟踪。一旦足够数量的射线已被跟踪以确定构成计算机屏幕的二维显示的全部像素中的颜色，三维场景的二维合成就可在计算机屏幕上显示给观看者。

射线跟踪一般比光栅化更真实地呈现真实世界三维场景。这部分由于这样一种事实：射线跟踪模拟光在真实世界环境中如何行进和表现，而不是如光栅化那样简单地将三维形状投影到二维平面上。因此，使用射线跟踪呈现的图形更精确地在监视器上描绘我们的眼睛在真实世界中习惯看到的。

并且，射线跟踪还比光栅化更好地处理增加的场景复杂性。射线跟踪随着场景复杂性以对数增加。这是由于，即使场景变得更复杂，相同数量的射线也会投射到场景中。因此，射线跟踪不象光栅化那样随着场景变得更复杂在计算能力需要方面处于不利地位。

但是，射线跟踪的一个主要缺点是大量的浮点计算，并由此增加呈现场景所需要的处理能力。当需要快速呈现时，例如，当图像处理系统要在诸如游戏控制台中呈现动画目的的图形时，这导致出现问题。由于射线跟踪的增加的计算要求，因此难以呈现快到足以看起来逼真的动画(逼真的动画大致为二十到二十四帧每秒)。

使用例如射线跟踪的图像处理可涉及执行矢量数学和标量数学两方面。因此，对图像处理的硬件支持可包含被配置为执行各种计算的矢量单元和标量单元。矢量和标量运算例如可跟踪穿过场景的光的路径或移动三维场景内的对象。矢量单元可对与场景中的对象相关的矢量执行例如点积和交叉积(cross product)的运算。标量单元可对标量值执行例如加减乘除等的算术运算。

矢量单元和标量单元可被管线化(pipeline)以提高性能。但是，执行矢量运算会涉及执行可相互依赖的多个指令的多次迭代。这种指令之间的依赖性会降低管线化单元的效率。例如，为了使得第一指令在第二指令的执行之前完成，几个管线级会被置于不用状态。

并且，图像处理计算会涉及矢量单元和标量单元之间的较强的相互作用。由于现有技术实现可被独立发出并具有其各自的寄存器堆(register file)的矢量单元和标量单元，因此在这些单元之间传送数据通常是十分低效的。例如，标量单元会将来自存储器的数据加载到其相关的寄存器堆中以执行标量运算。计算的结果然后被存回存储器中。随后，来自标量计算的结果可被加载到与矢量单元相关分开的寄存器堆中以执行矢量运算。