[发明专利]一种粗粒度可重构层次化的阵列寄存器文件结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种粗粒度可重构层次化的阵列寄存器文件结构，属于嵌入式可重构设计技术。

背景技术

随着现场可编程阵列可重构技术的出现，大大改变了传统的嵌入式设计的方法，可重构计算作为一种新型时空域的计算模式，在嵌入式和高性能的计算领域具有广泛的应用前景，已经成为当前嵌入式系统发展的趋势。图像处理和现代通信等媒体应用领域算法具有大规模并行性，需要进行大量的矩阵运算。寄存器文件设计允许灵活的重排序操作和移位操作。通过多路选择器实现读/写数据选择到不同的寄存器中。相比延时链和移位寄存器，寄存器文件在写操作时有更多的功耗消耗。消耗包括译码和选择的相关逻辑。因此，只有在寄存器文件作为长时间的数据存储的时候可以抵消功耗上面的损失。寄存器对于短生命周期的数据不是一个最佳选择。

可以将现有的可重构寄存器文件架构按照对阵列计算性能的影响划分为两类：一类是阵列外的片存取寄存器，一类是阵列内的分布式寄存器。可重构阵列的数据存取优化，一方面可以通过阵列外的片上存取寄存器减少访存延时实现，另一方面还可以通过优化片上存取寄存器的访存模式来实现。而通过优化阵列内的分布式寄存器结构，可以减少数据在计算过程中因为架构约束而带来的调度性能下降，并通过层次化的寄存器文件设计和调度策略，提高阵列的计算性能。

可重构片上存取寄存器所涉及的寄存器组织形式、共享机制、替换策略、划分机制都需要根据具体的阵列结构和访存特性进行相应研究，以便在低访问延迟和高命中率之间进行权衡与折中。通过对阵列外的数据访存通路的研究，包括片上存储器的设计，预取和重用的单元结构，以及基于矢量和标量的寄存器文件设计组成了阵列外的数据流通路。

可重构阵列与全局寄存器的访存方式对访存效率的影响也愈发突出，对于连续，密集数据的快速，对带宽性能的影响巨大。可重构阵列与全局寄存器的互联形式明显束缚阵列的对访存性能，现有设计中采用的交叉互联结构以及环状结构实现高效的访问的目标，满足低延迟、高带宽、低功耗的存储访问需求；或者采用二维的存取模式用于加速多媒体数据的存取。

如何以较低代价实现行向量寄存器和列向量寄存器的灵活分块，即设计出可重构的层次化的阵列寄存器文件，仍是本领域研究的热点问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种粗粒度可重构层次化的阵列寄存器文件结构，解决可重构计算过程中阵列数据的寄存和传输问题，以实现提高阵列中数据变量存储效率和可重构计算性能的优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种粗粒度可重构层次化的阵列寄存器文件结构，用于实现m×n矩形阵列排布的可重构阵列与系统控制内核之间的参数传递，同时完成可重构阵列上的数据寄存和传输，包括全局寄存器文件、本地寄存器文件和分布式寄存器文件：

所述全局寄存器文件：作为连接系统控制内核和可重构阵列的共享寄存器，不仅满足系统控制内核对可重构阵列调用时的参数传递需求，而且作为每个重构处理单元都可以连接的寄存器，拥有可重构阵列中最大的扇出系数；

所述本地寄存器文件：每个重构处理单元均对应设计有一个本地寄存器，所述本地寄存器作为与之相对应的重构处理单元的私有寄存器，数据仅供与之相对应的重构处理单元使用；

所述分布式寄存器文件：作为可重构阵列中部分重构处理单元之间的数据寄存和传输通道。

优选的，所述全局寄存器文件，包括n个全局寄存器，所述全局寄存器文件的数据位宽与重构处理单元的数据位宽一致；所述全局寄存器文件作为数据传输通道，用于传输输入参数和返回值，并且系统控制内核和可重构阵列都可以对全局寄存器进行存取。

优选的，所述全局寄存器文件与可重构阵列直接互联，具体实现方法为：设计全局寄存器文件顶端的m个全局寄存器和底端的1个全局寄存器采用全网状互联和总线互联、可以被所有的重构处理单元访问，其余全局寄存器采用总线互联；当循环传入参数大于m、超过顶端的m个全局寄存器时，多出的参数需要通过总线访问；底端的1个全局寄存器用于传输函数返回值。

优选的，所述本地寄存器文件，主要用于存储生命周期较长而空间位置固定的变量，其输入和输出的对象都只是其私有的重构处理单元（对应的重构处理单元）；所述本地寄存器能够在一个周期内完成输出数据到输入数据的准备工作；所述本地寄存器的写入通过配置字中的使能位控制，当使能位置时，其可以在一个周期内完成将重构处理单元的计算结果写入本地寄存器的本地寄存器文件中。