[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

权利要求书

1.一种面向通信和多媒体应用的单指令多数据处理器电路结构，其特征在于，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；

SIMD整数运算单元，支持SIMD指令与普通RISC指令两种模式的运算，其中SIMD指令定义为，单条指令对多个数据同时运算；

流水线控制单元，适用于SIMD指令与普通指令模式下，对指令流水中的数据相关、控制相关和结构相关进行判定并对指令流水做相应的调整；

处理器异常控制单元，适用于SIMD指令与普通指令模式下，对指令流水中的中断、异常指令情况作相应处理；

SIMD乘除法运算单元，负责普通指令和SIMD指令的标量-标量乘除法运算、乘加乘减运算，以及SIMD指令模式下向量-标量乘法运算；

适用于SIMD运算的扩展寄存器文件单元，在现有开源RISC架构寄存器文件基础上，将地址空间由32个扩展到64个，并添加相应的映射表配置映射关系，适用于SIMD指令运算，增加SIMD指令的并行计算能力；

当指令被发射到SIMD处理器内核中，首先被SIMD整数运算单元获取，经过其内部的译码模块得到相应控制信号；控制信号将传输到流水线控制单元和处理器异常控制单元，得到相应的流水线控制操作；同时根据具体的指令，SIMD乘除法单元将获得输入操作数与操作模式信号，给出运算结果；扩展寄存器文件单元将根据每条指令的需求读出或写入具体寄存器单元的值。

2.根据权利要求1所述的电路结构，其特征在于，SIMD整数运算单元可以同时兼容开源精简指令集(RISC)架构指令与新添加的SIMD指令，它由取指模块，译码模块，SIMD移位模块，SIMD算术逻辑运算模块，逻辑1计数模块，数据前推模块，数据获取模块，数据对齐模块组成；其中：

取指模块根据发射的指令判断是否取入下一条指令，当流水线控制模块要求插入空指令或重复执行上一条指令时，取指模块不接受下一条指令输入；当完成取值后，指令将流入译码模块；译码模块根据指令编码判断为普通的RISC架构指令或者为添加的SIMD运算指令，产生相应的控制信号；之后指令将流入数据运算通路，根据指令和译码信号产生的结果访问适用于SIMD指令的扩展寄存器文件单元取得操作数，或者通过数据获取模块访问内存获得操作数，之后通过SIMD算术逻辑运算模块、移位模块、逻辑1计数模块或者SIMD乘除法模块对数据进行运算；流水线控制单元和处理器异常控制单元根据指令和译码模块产生的控制信号，判断指令的相关性和合法性，对指令流水线做相应调整；数据的运算结果通过数据对齐模块按照规范的存储格式重新存放，然后根据指令写入SIMD寄存器文件模块或者写入内存；最后，为了适用于多核互联，增添相应的与多核网络路由器通信的先入先出队列(FIFO)端口，并且将FIFO端口映射到扩展的寄存器文件地址空间中，加快处理器与FIFO通信的效率。

3.根据权利要求1所述的电路结构，其特征在于，SIMD算术逻辑运算单元、乘除法运算单元和数据移位单元同时支持开源RISC架构下乘除法运算指令执行，也支持新添加SIMD指令的执行；SIMD模式分为4比特，8比特，16比特和32比特四种位宽模式，其中32比特模式为开源RISC架构指令集运算模式；在SIMD模式下，一个32比特的寄存器看做8个4比特子寄存器，或者4个8比特子寄存器，或者2个16比特子寄存器；SIMD指令利用已有的32比特寄存器位宽，在不同位宽模式下将其看成多个特定位宽的数据，实施单条指令对多个数据的并行操作。

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，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；在向量-标量模式下，数据的逻辑关系由指令显式指定，实现多对一的运算；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；

此外，SIMD算术逻辑运算单元、乘除法运算单元采用可重构设计方法，最大程度地复用硬件，保证了灵活性的同时节省了硬件开销。