微处理器向量处理方法

摘要

本发明公开了一种微处理器向量处理方法，在满足硬件实现简单、功耗低、成本低的前提下实现微处理器向量处理。本发明利用微处理器原有的流水线结构，设计向量指令集，增加向量寄存器组和向量控制逻辑，在译码段增加对向量指令的译码支持，用硬件执行循环过程，利用标量流水线功能部件和控制信号，实现微处理器对向量处理的支持。向量指令集包括向量访存、向量运算、向量长度寄存器操作三类指令；向量寄存器组包括4个向量寄存器和1个向量长度寄存器；在译码段中设计一个有限状态机来完成对向量指令的控制。本发明不需专门的多功能部件实现了微处理器对向量处理的支持，硬件复杂度小，成本低，向量处理效率高，可靠性高。

主权项

1.一种微处理器向量处理方法，采用它设计的微处理器拥有与一般微 处理器相同的流水线结构、功能部件和控制信号，其特征在于： a.设计向量指令集，增加包括4个向量寄存器和1个向量长度寄存器 VLR，向量指令集包括向量访存指令、向量运算指令以及向量长度寄 存器操作指令三类向量指令： 1)向量访存指令主要在存储器和向量寄存器之间互相传递向量， 向量分量在向量寄存器中从第1个寄存器开始顺序存储，它包括： LDVVd，Rd功能是将Rd寄存器给出的地址对应的向量装载入Vd 向量寄存器； STVVd，Rd功能是将Vd向量寄存器给出的向量存储入Rd寄存器 给出的地址对应的存储器中； 2)向量运算指令用于在两个向量之间或者在一个向量与一个标量 之间进行运算，并将计算结果存储到目标向量寄存器中；向量运算指 令有向量逻辑运算指令和向量算术运算指令及向量分量按位操作指 令；所有向量逻辑运算指令和向量算术运算指令要求在两个等长的向 量之间或者在一个向量与一个标量之间进行运算；向量逻辑运算指令 包括：向量与、向量或、向量异或；向量算术运算指令包括：向量加、 向量减、向量乘、向量无符号乘、向量标量加、向量标量减、向量标 量乘、向量标量无符号乘；向量分量按位操作主要指向量赋值；向量 运算指令具体格式为： ANDVVd，Vn，Vs，功能是向量与，向量寄存器Vn和Vs中的各个分 量分别进行逻辑与操作后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝{(Vn)AND (Vs)}； ORRVVd，Vn，Vs，功能是向量或，向量寄存器Vn和Vs中的各个分 量分别进行逻辑或操作后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝{(Vn)OR (Vs)}； EORVVd，Vn，Vs，功能是向量异或，向量寄存器Vn和Vs中的各个 分量分别进行逻辑异或操作后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝{(Vn) EOR(Vs)}； SUBVVd，Vn，Vs，功能是向量减，将向量寄存器Vn中的各个分量 分别减去Vs中的各个分量后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝{(Vn)- (Vs)}； RSBVVd，Vn，Vs，功能是向量反向减，将向量寄存器Vs中的各个 分量分别减去Vn中的各个分量后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝{(Vs) -(Vn)}； ADDVVd，Vn，Vs，功能是向量加，向量寄存器Vn和Vs中的各个分 量分别进行加操作后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝{(Vn)+(Vs)}； MULVVd，Vn，Vs，功能是向量乘，向量寄存器Vn和Vs中的各个分 量分别进行乘操作后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝{(Vn)*(Vs)}； UMULVVd，Vn，Vs，功能是向量无符号乘，向量寄存器Vn和Vs中 的各个分量分别进行无符号乘操作后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝ {(Vn)*(Vs)}； ADDSVVd，Vn，Rd，功能是向量标量加，向量寄存器Vn中的各个分 量分别加上标量寄存器Rd的值之后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝Vn +(Rd)； SUBSVVd，Vn，Rd，功能是向量标量减，向量寄存器Vn中的各个分 量分别减去标量寄存器Rd的值之后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝Vn -(Rd)； RSBSVVd，Vn，Rd，功能是向量标量反向减，标量寄存器Rd的值减 去向量寄存器Vn中的各个分量后赋值到向量寄存器Vd，即Vd：＝(Rd) -Vn； MULSVVd，Vn，Rd，功能是向量标量乘，向量寄存器Vn中的各个分 量分别和标量寄存器Rd的值进行乘操作后赋值到向量寄存器Vd，即 Vd：＝Vn*(Rd)； UMULSVVd，Vn，Rd，功能是向量标量无符号乘，向量寄存器Vn中 的各个分量分别和标量寄存器Rd的值进行无符号乘操作后赋值到向 量寄存器Vd，即Vd：＝Vn*(Rd)； MOVVVd，Vn，功能是向量赋值，将向量寄存器Vn的各个分量赋值 到向量寄存器Vd中，即Vd：＝Vn； 3)向量长度寄存器操作指令是在向量长度寄存器VLR和一个通用 标量寄存器之间互相传递数据或者将一个立即数传递到向量长度寄 存器VLR中，用于决定向量访存、向量逻辑运算、向量算术运算、向 量赋值的有效向量分量的个数；向量长度寄存器操作指令格式为： MOVI2SRd功能是将标量寄存器Rd的低6位传送到VLR中； MOVI2S#S功能是将立即数S的低6位传送到VLR中； MOVS2IRd功能是将VLR传送到标量寄存器Rd的低6位中。 b.增加向量控制逻辑，在译码段增加对向量指令的译码支持，用硬件 执行循环过程，利用标量流水线功能部件和控制信号，实现微处理器 对向量处理的支持，具体实现过程是：译码段中设计了一个有限状态 机来完成对多周期的向量指令的控制，由向量长度寄存器VLR来控制 一条向量指令中相同操作重复执行的次数；有限状态机产生复杂指令 控制信号来控制多周期的向量指令执行：如果是向量指令，首先从 VLR得到向量长度的值以决定向量操作的向量分量的个数；然后区分 该指令是乘法指令、访存指令还是ALU运算指令，并根据VLR的值， 由译码段循环产生相应的控制信号；若在微处理器中乘法操作与ALU 操作分离实现，则对于乘法指令，则进入标量乘法状态并产生用于控 制标量乘法的微控制信号，完成一个向量分量的乘法操作后，再开始 第二个向量分量的乘法操作；如果是访存指令，则译码段发出第一个 向量分量的访存请求控制信号，当第一个向量分量的访存请求完成之 后，再进行第二个向量分量的访存请求的控制；如果是ALU运算指令， 则根据运算的类型，由译码段产生单个向量分量的运算控制微信号， 当完成一个向量分量的运算之后，再开始第二个向量分量的运算；此 时，有限状态机进入多个状态的循环，并发出互锁流水线信号，停止 取指段的后续取指操作；有限状态机的状态转变由向量长度寄存器 VLR控制，如果向量分量操作的次数达到向量长度寄存器的值，则将 状态转变回开始状态，否则继续处理下一个向量分量；如果是向量长 度传输指令，则按照标量寄存器传输指令处理方法进行处理，即在一 个标量寄存器和VLR之间进行传输，或者将一个立即数传递入VLR中； 如果是标量指令、中断指令这样的一般指令，则译码段产生一般指令 的微控制信号。