[发明专利]具有条件通道路由和就地功能性的可重配置指令单元阵列

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年5月29日提交的美国非临时申请No.13/905,032的优先权，其全部内容通过援引纳入于此。

技术领域

本申请涉及可重配置指令单元阵列(RICA)，且更具体地涉及具有就地功能性的RICA。

背景

尽管微处理器计算能力已经逐渐提高，但对附加提高的需求仍然未减弱。例如，智能电话现在使其处理器负担令人困惑的各种任务。但单核处理器只能在给定时间容适这么多的指令。因此，现在通常提供能并行地处理指令集的多核或多线程处理器。但此类基于指令的架构始终必须对抗由管芯空间、功耗、以及关于降低指令处理时间的复杂性所施加的限制。

如与可编程处理核的使用相比，存在能够在专用硬件中被更高效地处理的许多算法。例如，图像处理涉及显著并行性以及通过处理步骤的流水线的对像素的成群处理。如果算法随后被映射到硬件，则该实现利用该对称性和并行性。但设计专用硬件是昂贵且还是麻烦的，因为如果算法被修改，则专用硬件必须被重新设计。

为了提供基于指令的架构与专用硬件办法之间的高效折衷，已经开发出可重配置指令单元阵列(RICA)架构。图1A解说了示例RICA系统50。在这一RICA系统50中，多个指令单元2通过可编程交换结构4互连。指令单元的配置(关于它们实现的何种的逻辑功能或指令)以及交换结构可以在必要时在每一时钟周期被重新编程以实现给定算法或功能。指令单元处理MEM单元12所检索到的数据(其进而从数据RAM 8加载)。指令单元2的这一处理根据从配置RAM 6获取的配置指令10来发生。解码模块11解码指令10以便不仅获取用于指令单元2的编程，而且还获取用于交换结构4的编程。图1A中所示的附加特征在于2006年4月28日提交的美国专利公开No.2010/0122105中描述，该公开的内容藉此通过援引整体纳入于此。

注意，RICA的优点在于：算法(诸如涉及通过流水线处理方案来处理多个像素的图像处理)能以模拟专用硬件办法的方式被映射到指令单元。但是无需设计专用硬件，取而代之地，可仅仅在必要时对这些单元和交换结构进行编程。由此，如果必须重新设计算法，则无需重新设计硬件，而是用户可仅在必要时改变编程。这相对于传统的基于指令的计算办法而言是相当有优势的。

尽管RICA由此提供了稳健的优点，但其实现中仍然有挑战。例如，按行和列以可重配置阵列来排列指令单元是常规的。每一指令单元、任何相关联的寄存器以及输入和输出交换结构可被认为是驻留在开关盒内。图1B示出了按行和列安排的示例开关盒阵列。每一开关盒中的交换结构随后必需接纳可能在某行和列位置处的给定开关盒100开始并随后在不同行和列位置处的某一其他开关盒105的结束的数据路径。在该数据路径中，两个指令单元被配置为算术逻辑单元(ALU)110。其余开关盒中的指令单元为了解说清楚而未示出。注意到，每一开关盒于是必须容适两个交换矩阵或结构：用于选择到其指令单元的输入的输入交换结构以及用于选择来自该开关盒的输出的输出交换结构。

与指令单元形成对比的是，现场可编程门阵列(FPGA)中的逻辑块使用查找表(LUT)。例如，设想在经配置FPGA中执行的逻辑运算中需要AND(与)门。LUT随后将以用于AND门逻辑功能的真值表来编程。但指令单元“粗粒度”得多，因为它包含专用逻辑门。例如，ALU指令单元将包括各色专用逻辑门。ALU指令单元的功能是可配置的——其原语逻辑门是专用门并因此是不可配置的。例如，常规CMOS反相器是一种类型的专用逻辑门。关于此种反相器是没什么可供配置的，该反相器不需要任何配置位。但FPGA可编程逻辑块中的反相器功能的实例化则改为通过LUT的真值表的相应编程来执行。因此，如本文所使用的，术语“指令单元”指的是包括专用逻辑门的可配置逻辑元件。