[发明专利]一种支持FFT加速的SIMD向量处理器

说明书

技术领域

本发明涉及一种支持FFT加速的SIMD向量处理器及其设计方法，具体地说是一种支持可变点数，对FFT/IFFT运算加速效率较高而整体硬件开销较低的SIMD向量处理器及其设计方法。

背景技术

快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation, FFT）运算一般都通过专用硬件加速器（称为FFT处理器）或DSP处理器完成。专用硬件加速器能获得较高的加速效率，但是会占用较多额外资源，包括片上存储资源和片上计算逻辑资源，特别是当变换的长度极大时，专用硬件加速器所占用的额外资源将无法承受。用DSP处理器软件编程的方式完成FFT运算虽然不会占用额外的硬件资源且具有很大的灵活性，但是其处理速度相对较慢，满足不了某些应用的实时性要求。

在一些数字信号处理算法，如距离-多普勒算法中，涉及大量各种长度的向量处理，最长可达到16K甚至更长。对这些向量的处理既包括规则的向量运算（向量加减法、向量乘法等）也包括FFT/IFFT运算。SIMD向量处理器可用来加速规则的向量运算，但是尚未出现同时能够直接加速FFT运算（加速效率和专用加速器相当）的SIMD向量处理器，在这种情况下，还需要另外使用FFT硬件加速器来加速各种点数的FFT/IFFT运算，额外的片上资源将会被占用。

发明内容

为了加速大点数FFT的运算效率，同时避免使用专门硬件加速器所带来的额外硬件开销，本发明的目的是提供一种支持FFT加速的SIMD向量处理器。该SIMD向量处理器能够直接加速FFT运算，还可提供和专用硬件加速器加速效率相当的FFT运算加速，在保证性能的同时避免额外的硬件开销。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种支持FFT加速的SIMD向量处理器，其特征在于：该处理器包括控制单元、计算单元、存储器子系统、存储交织单元和地址产生单元；所述计算单元支持各种向量运算的快速处理，所述存储器子系统包括存放操作数的存储器组A、存放系数的存储器组B和存放运算结果的存储器组C，且存储器组A、存储器组B和存储器组C内的单个存储体的位宽为一个复数字，支持4路数据并行的复数向量运算和8路数据并行的实数向量运算；计算单元、地址产生单元和存储交织单元均与控制单元连接；地址产生单元根据运算类型、运算的数据并行度及向量的长度产生所需的操作数地址序列、系数地址序列、结果地址序列；存储交织单元与地址产生单元和计算单元连接，并实现存储体的地址映射。 

本发明中，存储器组A、存储器组B和存储器组C均为4个存储体。存储交织单元实现存储器组A、存储器组B和存储器组C内部4个存储体的地址映射，使同时读取的4个操作数位于4个不同的存储体，且同时写入的4个运算结果位于4个不同的存储体；通过可编程地址映射方法，支持各种长度向量的规则向量运算和FFT/IFFT运算。

所述可编程地址映射方法是可通过软件编程方式设置向量长度，对于不同的向量长度，地址映射方法也相应变化，且在各向量长度下，均能保证规则向量运算和FFT/IFFT运算无冲突读写。

计算单元包括2个复数乘法器和4个复数加法器，支持2路数据并行的复数乘法、卷积运算，4路数据并行的复数加减法、累加运算，4路数据并行的复数模方运算，4路数据并行的FFT/IFFT运算，以及8路数据并行的实数乘法、卷积、加减法、累加运算。对于上述的n路数据并行的向量运算，平均每个时钟周期处理n个向量单元（不考虑处理每个向量前的流水线填充时间）。其加速效率与专用硬件加速器相当，且支持可变点数，因此在保障系统计算效率的同时，节省了在设计中因使用FFT专用硬件加速单元而带来的巨额片上存储资源与逻辑资源开销。

本发明中的存储子系统包括三个存储器组，分别存放操作数、系数和运算结果，每组存储器分为4个存储体，存储体的位宽为一个复数字，以支持4路数据并行的复数向量运算和8路数据并行的实数向量运算。地址产生单元，能够根据运算类型（规则运算、FFT/IFFT运算）、运算的数据并行度（2、4、8）、向量的长度等产生所需的操作数地址序列、系数地址序列（对某些运算不需要，如累加运算和复数模方运算）、结果地址序列。

 

本发明能够直接加速FFT运算的SIMD向量处理器，除了能够加速规则向量运算之外，还可提供和专用硬件加速器加速效率相当的FFT运算加速，在保证性能的同时避免额外的硬件开销。