[发明专利]面向通信和多媒体应用的单指令多数据处理器电路结构

说明书

技术领域

本发明属于高性能并行计算处理器技术领域，具体为一种面向通信和多媒体应用，适用于众核片上网络的新型单指令多数据(SIMD)处理器电路结构。

背景技术

单指令多数据(SIMD)是Single Instruction Multiple Data的缩写。SIMD这一概念最早由Flynn提出。后来基于这一思想，也就是一条指令对多条数据通路执行运算，研制了一系列的并行运算架构，包括最早的vector processor，被广泛运用在早期的超大型计算机研制中。上世纪80年代，由Lockheed Martin开发的GAPP架构获得广泛认可，GAPP(Geometric-Arithmetic Parallel Processor)处理器基于SIMD架构，在目前的视频、音频处理领域得到很好的应用。上世纪90年代，SIMD作为一种技术被广泛用于通用处理器的扩展，用于增强通用处理器的多媒体处理能力。其中包括Intel公司的MMX，SSE，SSE2，AMD的3Dnow！，IBM公司也和Motorola公司、Apple公司联合开发了基于PowerPC的SIMD扩展技术VMX，以及Freescale公司专有的Altivec SIMD处理器。用以增强原有通用处理器的并行数据处理能力。以ARM公司，MIPS公司为代表的嵌入式处理器设计厂家，也在其相应的处理器解决方案上，提出了多媒体、DSP扩展指令集架构以及相应的SIMD技术，例如ARM公司的NEON技术和MIPS的DSP扩展、3D扩展技术。

众核处理器(Many-core Processor)是近几年出现的新型处理器解决方案，与传统的单核处理器相比，并行计算能力更强，可扩展性与可配置性也更好，功耗水平也有一定的优势。与传统的专用集成电路相比，灵活性更强，可以支持多种标准和算法，因此近年来得到广泛关注。众核处理器本质上是采用一定的网络拓扑结构将一定数量的微处理器联接起来，采用特定的路由算法负责不同微处理器之间的通信，以获得更好的并行计算能力。另外，在众核处理器中所使用的单个微处理器与传统的微处理器还有所不同，需要面向众核通信架构作一定的架构修改，本发明就是基于面向众核处理器架构所提出的一款SIMD处理器内核，主要面向通信和多媒体应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种适用于下一代众核处理器，面向通信和多媒体应用的新型单指令多数据处理器电路结构。

本发明基于开源精简指令集(RISC)处理器架构，根据众核处理器片上网络(NoC，Network-on-Chip)特征与通信多媒体应用运算特征，提出了一种新的SIMD处理器电路结构。能够更好地适用于众核架构下的处理器核通信，并从指令层次提升了内部的并行计算能力，主要由SIMD整数运算单元，流水线控制单元，处理器异常控制单元，SIMD乘除法运算单元，扩展寄存器文件单元共计五个模块组成。

关于SIMD运算模式的定义一般较为宽泛，在本发明针对的多媒体通信应用领域中，所处理数据的位宽一般为8比特(例如快速傅里叶变换FFT，Reed-Solomn纠错码编解码计算，LDPC纠错码编解码计算等)，因此充分利用现有寄存器位宽资源，引入SIMD的设计理念，可以提升数据的并行处理能力。因此引入4比特，8比特和16比特三种新的位宽模式，与开源RISC架构下的32比特位宽模式融合，以获得更优秀的并行数据处理能力，这也是本发明的核心。详见图-1。

除依据数据的位宽分类外，SIMD指令根据参与运算数据逻辑关系可分为标量-标量模式和向量-标量模式。标量-标量模式下，在SIMD算术逻辑运算单元、乘除法运算单元和数据移位单元中，数据根据对应比特位确定逻辑关系参加运算，为一对一的形式。而在向量-标量模式下，数据的逻辑关系由指令显式指定，可以实现多对一的运算效果。同时，配套增加向量-标量模式下的寄存器传输，数据访问指令以及相应的跳转控制指令。关于标量-标量和标量-向量运算模式详见图-2和图-3。