[发明专利]向量交叉多线程处理方法及向量交叉多线程微处理器

说明书

技术领域

本发明涉及计算机微处理器领域，特指一种多线程微处理器。

背景技术

计算机领域的高速发展，对微处理器的处理能力的要求越来越高，而提高微处理器的运算能力主要有两个途径：一是提高单个处理器核的运算能力；二是增加将多个处理器核集成在一个微处理器芯片中，即通常所称的多核技术。

1、提高处理器核的运算能力，传统的方法主要依靠提高处理器核的频率和采用指令发射宽度更大的超标量技术，由于受工艺、功耗和可靠性等因素的制约，处理器频率的提升遇到了瓶颈，指令发射宽度也难以继续扩大。因此，人们逐渐将关注的重点转向其他新型微处理器体系结构技术，以充分利用不断增长的片上硬件资源，从而使微处理器核的性能得到提升。

如图1所示，是传统标量微处理器核的典型结构，它主要包括程序计数器、取指部件、指令高速缓存、译码部件、以及标量执行流水线。标量执行流水线主要包括：寄存器文件单元、数据高速缓存、标量执行部件（Load/Store部件、标量浮点运算部件和标量算术逻辑部件）以及数据写回部件。典型的标量应用程序在传统微处理器上的执行过程如下：如图2所示，取指部件依据程序计数器向指令高速缓存发出访存指令获取指令，然后取指部件将准备好的指令发往译码部件进行译码，依据译码部件的译码结果，指令进入标量执行流水线开始执行，执行时：标量执行流水线依据译码部件的译码结果访问寄存器文件单元并获得该指令的源操作数，并发往合适的功能部件完成该指令的功能，最后，数据写回部件负责将该指令产生的最终结果写回寄存器文件。

在微处理器体系结构的发展过程中，曾出现了交叉多线程技术和向量技术。交叉多线程技术是指，微处理器能够同时维护多个标量线程的状态寄存器和相关信息，执行流水线交替的执行来自不同线程的标量指令。向量技术的特征主要体现在一条指令可以完成多个标量数据的处理，向量处理器通常具有极高的峰值性能。交叉多线程技术能够使得微处理器有效地隐藏长延迟操作，确保执行流水线充满，然而由于多个线程共用一套运算部件，这使得单个线程的性能受到影响，且该技术无法提高微处理器的峰值性能；向量技术能够极大地提高微处理器的峰值性能，但它对高速缓存失效带来的存储器访问延迟较为敏感，难以将峰值性能转化为实用性能。如果能够将二者有机结合在一起，那么将有可能设计出同时具备高峰值性能和实用性能的高性能微处理器。

2、多核技术，是将多个复杂度较低的处理器核心集成在一个芯片上。多核技术能够更好的利用片上的硬件资源，提高微处理器的性能。近年来，随着多核技术的发展，在单一芯片上集成的处理器核数越来越多，而相应的单个处理器核的运算能力却没有显著提升，在某些设计中甚至明显下降。并且，为了能够更充分的发挥多核处理器的性能，人们越来越多的关注进程级和线程级并行的开发，而忽略了指令级并行和数据级并行的研究。如何平衡芯片集成的处理器核心数目和单核心的运算能力，融合进程级、线程级、指令级以及数据级并行，从而进一步提高微处理器的性能是微处理器体系结构设计的重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种将向量处理技术与多线程技术相结合、能提高处理器运算性能的向量交叉多线程处理方法，以及一种硬件结构简单、运算能力强、兼容性和扩展性好向量交叉多线程微处理器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种向量交叉多线程处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1）读取指令：多线程取指部件以轮转方式从N个向量线程中选择一个向量线程进行指令读取，并将读取得到的指令存储在所述向量线程对应的指令缓冲队列中；

2）线程选择：线程调度部件从N个指令缓冲队列中选择一个指令缓冲队列，并从所述指令缓冲队列中取出一个指令进行译码；

3）执行指令：将译码后的指令送入向量执行流水线或标量执行流水线进行执行。

作为本发明的方法进一步改进：

所述N=2ⁿ，其中n=1、2、3……。

所述步骤3），具体包括以下步骤：

3.1）操作数选择：根据所述译码后的指令的内容，访问向量寄存器文件单元或标量寄存器文件单元获得源操作数，并将获得的源操作数传递到相应的向量执行部件或标量执行部件；

3.2）指令执行：所述向量执行部件或标量执行部件根据所述源操作数进行执行运算，执行运算的结果分别写回向量寄存器文件单元或标量寄存器文件单元。

所述指令为标量指令或向量指令，所述向量指令包括以下类别：

ⅰ.向量访存指令，包括：