[发明专利]基于异构流水线的高效通用处理器执行方法及系统

说明书

本发明提出基于异构流水线的高效通用处理器执行方法及系统，包括：将通用处理器中计算部件整合为计算单元阵列，基于计算单元阵列构建顺序执行的计算流水线；并基于通用处理器中通用部件构建乱序执行的通用流水线；获取待执行指令，通用处理器中译码模块识别待执行指令属于通用指令或计算指令，若待执行指令属于通用指令，则将属于通用指令的待执行指令发送至通用流水线，得到待执行指令的执行结果，若待执行指令属于计算指令，则将属于计算指令的待执行指令发送至计算流水线，得到待执行指令的执行结果。本发明将通用处理器中计算指令和通用指令的流水线独立开来，使得两条流水线可以采用各自最高效的结构设计方法。

技术领域

本发明属于处理器设计领域，特别涉及一种异构流水线的高效通用处理器设计方法及系统。

背景技术

人工智能、机器学习、认知计算、仿真模拟等新兴应用属于计算密集型应用，需要计算机具有更强大的计算能力。而通用处理器由于计算能力不足，与专用处理器如GPU、TPU等存在一个数量级的差距。因此，为满足新兴计算密集型应用的需求，当前的计算机系统一般采用异构的组成方式：一种是将具有强大计算能力的专用处理器，如GPU、TPU等作为IO设备，通过高速IO总线(如PCI-E)与通用处理器互连，协同工作；另一种是将GPU、TPU等作为协处理器，与通用处理器通过系统总线互连进行协同工作；还有一种是将GPU、TPU等作为IP核，通过片上互连总线与通用处理器核心组成异构多核处理器进行协同工作。无论哪一种方式，都需要通用处理器与专用处理器协同工作，缺一不可。

上述计算机系统存在两个明显的缺点：一是资源浪费，二是编程困难。

资源浪费主要体现在通用处理器的资源浪费。现代的通用处理器设计十分复杂，通常采用面向高指令并行的多发射、深流水、乱序执行的统一流水线结构，同时具有强大的向量计算部件，如图1所示。然而，在面向新兴应用的计算机系统中，虽然通用处理器和专用处理器搭配使用，但通用处理器实际上主要完成一些简单的管理功能，计算任务则完全由专用处理器承担，因此通用处理器自身强大的算力和复杂设计都是浪费。

编程困难体现在虽然计算任务主要由专用处理器承担，但通用处理器也需要配合做一些专用处理器做不了的工作，即二者必须搭配使用。这样就涉及两种不同指令系统的处理器的协同编程工作，增加了编程的复杂度和难度。同时，不同专用处理器的指令系统各不相同，也极大地增加了编程的难度和工作量。

如果通用处理器的计算能力能够大幅度提高，那么就能够在单一的通用处理器上处理计算密集型应用，这样资源利用率低和编程难的问题都可以得到解决。

与专用处理器相比，通用处理器计算能力低的主要原因是通用处理器为了提高通用程序执行的指令并行度，一般采用多发射、深流水、动态调度、乱序执行等复杂的设计方法，消耗了大量的晶体管资源，使得真正用于计算的晶体管资源的比例明显低于专用处理器，所以峰值计算能力通常比专用处理器低一个数量级。

发明内容

本发明的目的是解决通用处理器计算能力相对较低，而专用处理器编程困难的问题，提出了一种基于异构流水线的高效的通用处理器设计方法，为不同功能需求的指令设计不同结构的流水线，从而在单一的通用处理器上高效地满足新兴计算密集型应用的应用需求。

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于异构流水线的高效通用处理器执行方法，其中包括：

步骤1、将通用处理器中计算部件整合为计算单元阵列，基于该计算单元阵列构建顺序执行的计算流水线；并基于该通用处理器中通用部件构建乱序执行的通用流水线；

步骤2、获取待执行指令，通用处理器中译码模块识别该待执行指令属于通用指令或计算指令，若该待执行指令属于通用指令，则执行步骤3，若该待执行指令属于计算指令，则执行步骤4；

步骤3、将属于通用指令的待执行指令发送至该通用流水线，得到该待执行指令的执行结果；