處理系統以及用以處理該處理系統中指令的相關方法

2023-05-26 19:21:26

專利名稱：處理系統以及用以處理該處理系統中指令的相關方法
技術領域：
本發明涉及一種處理包含多個處理單元的處理系統的預定指令的方法， 特別有特別涉及一種處理系統，其具有提供每一處理單元的本地程序計數器 的多個處理單元。且本發明有關於處理此處理系統中的預定指令的相關方法。
背景技術：
一般而言，單指令多數據(Single Instruction Multiple Data, SIMD)處理系統的指令執行流程控制(flow control,或稱為分支控制branchcontrol)都相當的困難，因為對於同一個分支指令處理的多個不同數據，可能會造成不同的分支結果，但是受限於此處理系統僅能夠在同一時間內執行 單一指令於多個數據的特性，所以需要一些特殊技巧來解決在此處理系統架構下，執行不同指令流程的問題。坎套式流程控制更惡化了此種問題。有一 些現有方法可以解決部份問題，但卻浪費了硬體資源來解決前述的坎套式流 程控制問題。通常在繪圖處理的領域中，都利用SIMD的平行處理架構特性來處理需要 做類似運算的多筆數據。然而，SIMD通常相當的受限。舉例來說，較常見的 問題是平行處理系統的多數SIMD處理單元雖然可以同時處理多筆不同的數 據，但每一個處理單元都必須執行同一個程序計數器(program counter)所 指定的指令。事實上，傳統的SIMD處理單元僅有一個程序計數器。因此，需要有新穎的方法和裝置解決上述問題。發明內容因此，本發明的目的之一是提供一具有多數處理單元的一處理系統以解 決前述問題，其中，處理單元具有本地程序計數器。本發明更提供與此處理 系統相關的方法，用以處理在處理系統中的預定指令。本發明的較佳實施例揭露了一種一處理系統中的預定指令的處理方法， 此處理系統具有多數處理單元，此方法包含提供一全局(global)程序計數器，並設定該全局程序計數器的計數值，以作為被執行的所述預定指令的指令；指定一本地程序計數器給每一處理單 元，並根據該處理單元所執行的一現今指令設定該本地(local)程序計數器的 一計數值；以及根據存儲在該處理單元的該本地程序計數器以及該全局程序 計數器的計數值使能至少一處理單元以執行所述預定指令的一特定指令。本發明的較佳實施例揭露了 一種用以處理預定指令的處理系統。此處理 系統包含 一指令緩衝器，用以接收並緩衝該預定指令； 一全局程序計數器， 耦接至該指令緩沖器，用以存儲一計數值，且該計數值是作為被執行的該預 定指令的指令；多數處理單元，其中的每一個包含 一執行單元，用以執行 指令； 一本地(local)程序計數器，用以根據該執行單元所執行的一現今指 令設定一計數值；以及一流程控制單元，耦接至該全局程序計數器以及每一 處理單元，用以根據存儲在該處理單元的該本地程序計數器以及該全局程序 計數器的計數值使能至少一處理單元以執行所述預定指令的一特定指令。


圖1示出了根據本發明的一實施例的用以處理預定指令的處理系統的方塊圖。圖2示出了根據本發明的實施例的用以處理預定指令的方法。附圖符號說明100處理系統105多悽t處理單元106執行單元107本地程序計數器108寫回單元109緩存器文件110指令緩沖器120全局程序計數器130指令取得/解碼單元140流程控制單元具體實施方式
在i兌明書及後續的申^青專利範圍當中j吏用了某些詞彙來指稱特定的組 件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞 來稱呼同一個組件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作 為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇 說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」是一開放式的用語，故應解釋成r包含但不限定於」。以外，「耦接」 一詞在此是包含任何直接及間接的電 氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第 —裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或通過其它裝置或連接手段間接地電 氣連接至該第二裝置。請參照圖1，圖1示出了根據本發明的一實施例的用以處理預定指令的 處理系統100的方塊圖。在圖1中，小箭頭符號代表一控制路徑，其代表何 種動作欲被執行以及欲被寫入至特定緩存器的執行結果。而大箭頭符號代表 一數據路徑，而數據路徑包含了指令以及數據。處理系統100包含一指令緩 衝器110。指令緩衝器110用以接收並緩沖欲被處理的預定指令。全局程序 計數器120耦接至指令緩衝器110,用以存儲一計數值以作為被執行的該預 定指令的指令。處理系統100亦包含多數處理單元105,其中的每一個都具 有一執行單元106以及一本地程序計數器l(H。執行單元106用以執行存儲 在指令緩衝器110中的預定指令。本地程序計數器107用以根據執行單元106 所執行的一現今指令"i殳定一計數值。此外，處理系統100包含一流程控制單元"0。流程控制單元14G耦接 至全局程序計數器120以及每一多數處理單元105。流程控制單元用以 根據存儲在處理單元105中的本地程序計數器107以及全局程序計數器120 的計數值使能至少一處理單元105以執行預定指令的一特定指令。處理系統100的流程控制單元140在存儲在特定處理單元中105的特定 本地程序計數器107具有和全局程序計數器120相等的計數值時，使能一特 定處理單元105以執行被全局程序計數器120所指向(point to)的特定指令。此外，特定處理單元105中的特定本地程序計數器107在處理單元IOS 的特定處理單元105未被流程控制單元14G使能以執行特定指令時，維持存 儲在特定本地程序計數器1Q7的一特定計數值。若特定指令不為一流程控制指令，處理系統100的流程控制單元140控制特定本地程序計數器107以增加存儲在特定本地程序計數器107中的特定 計數值。若特定指令是一流程控制指令，特定處理單元1Q5的執行單元1Q6計算 流程控制指令，且流程控制單元14G根據4丸行單元106的計算結果更新存儲 在特定本地程序計數器107中的特定計數值。流程控制單元106在流程控制指令(或分支指令)未被判斷成分支動作 要才丸行(branch not taken)時，增加存^諸在特定本地程序計數器107中的 特定計數值，以及流程控制單元106在流程控制指令(或分支指令)被判斷成 分支動作要執行時(branch taken),指派對應於另 一指令的一預定目標地址 給存儲在特定本地程序計數器107中的特定計數值。在本發明的另一實施例中，每一處理單元105包含一呼叫狀態位(call status bit),用以表示處理單元105何時執行一呼叫塊(call block)或一 坎套呼叫塊(nested call block)的指令。此特性相當的重要，因為若本地 程序計數器107具有最小的本地程序計數值，將使得相對應的處理單元IO5 執行指令。每一處理單元105可具有一呼叫狀態位，當處理單元105執行進 入一呼叫塊或一坎套呼叫塊的一呼叫指令(Call )時，呼叫狀態位被設定。 而當處理單元105執行存在於非坎套呼叫塊或位於最高層坎套呼叫塊的一回 復指令(Return)時，呼叫狀態位被清除。在此例中，具有設定的呼叫狀態 位的處理單元105首先被視為一群組，且在此群組中，若處理單元105具有 最小的本地程序計數值，將使得相對應的處理單元105執行指令。當沒有呼 叫狀態位被設定時，則回到先前的規則，藉此，流程控制單元140會從處理 單元105中，選取具有最小的對應本地程序計數值來設定全局程序計數器120 並抓取指令，亦即處理單元105具有最小的對應本地程序計數值者會執行指 令，在此情況下呼叫狀態位並不會有影響。易而言之，在此實施例中具有設定的呼叫狀態位的處理單元105具有取 得和執行指令的優先級。藉此方法具有設定的呼叫狀態位的處理單元105比 不具有設定的呼叫狀態位的處理單元105優先被使能。舉例而言， 一第一處 理單元具有M本地程序計數值，且此本地程序計數值組具有設定的呼叫狀態 位，而一第二處理單元具有M-1本地程序計數值，且此本地程序計數值組具 有清除的呼叫狀態位。在此情況下，因為具有設定的呼叫狀態位，被較大值 的M本地程序計數值所指向的指令反而被取得和執行。最後，用以處理預定指令的處理系統100的處理單元105更包含一寫回(write-back)單元108以及一緩存器文件109。在本發明的實施例中，流程 控制單元140被用以控制執行單元106以根據本地程序計數器107執行跟隨 流程控制指令的指令。流程控制單元14 0亦被用以控制寫回單元108以將3九 行結果寫入緩存器文件109。上述的處理系統100可為一平行處理系統，而處理單元105可為一平行 處理單元，但僅用以舉例，並非用以限定本發明。熟知此項技藝者當可知道 本發明及相關方法並非必定需要此類平行處理系統，與平行處理系統相關的 系統亦可使用在本發明的系統和方法，使本發明得以和其它現有裝置和方法 作整合，其亦在本發明的範圍之內。請參照圖2,圖2示出了根據本發明的實施例的用以處理預定指令的方法。 此方法對應於圖1中所述的處理系統IOO,其步驟如下所述步驟200開始步驟210設定全局程序計數器120的計數值，使其與分別具有設定的呼叫狀態位 每一處理單元105的本地程序計數器的最小值相同。若沒有設定的呼叫狀態 位，則設定全局程序計數器120的計數值，使其與每一處理單元105的本地 程序計數器的最小值相同。步驟220取得全局程序計數器120所指向的下一指令。 步驟2 30判斷對每一處理單元而言，是否全局程序計數器120與本地程序計數器 107相等 若是，到步驟280,若否，到步驟240。 步驟240判斷現今指令是否為一流程控制指令？如果是，到步驟250。若否，到步 驟290。步驟25 0計算現今指令的計算域以決定流程控制結果。到步驟260。 步驟260處理單元105的計算是否確定取得流程控制結果，也就是，是否要執行分支指令？若是，到步驟295。若否，到步驟270。 步驟270設定本地程序計數器107,使其等於本地程序計數器107加一。到步驟210。步驟280保持本地程序計數器107為未改變。遮蔽緩存器文件109以防止寫入被 使能。到步驟210。 步驟290執行現今指令，並設定本地程序計數器107,使其等於本地程序計數器 107加一。到步驟210。 步驟295設定本地程序計數器107，使其等於和現今執行的流程控制指令有關的 目標地址。若現今流程指令的執行進入一呼叫塊，則設定呼叫狀態位。若現 今流程指令的執行離開一呼叫塊，則清除呼叫狀態位。到步驟210。本發明的流程開始於步驟200。在步驟210中，若沒有設定的呼叫狀態 位，則設定全局程序計數器120的計數值，使其與每一處理單元105的本地 程序計數器107的最小值相同。然而，如先前所述，具有設定的呼叫狀態位 的本地程序計數器107被指派取得和執行指令的較高次序。因此，若至少一 呼叫狀態位被設定，本方法的流程將優先使能具有設定的呼叫狀態位的處理 單元1D5，而不是具有被清除的呼叫狀態位的處理單元105。如圖2所示，全 局程序計數器120被分別具有設定的呼叫狀態位每一處理單元105的本地程 序計數器的最小值設定。接著在步驟220中，下一指令根據全局程序計數器120被取得。在步驟 230中，對每一處理單元105,本發明確認全局程序計數器120 (PC一J是否 和本地程序計數器107 (PClMal)相同。若全局程序計數器120和特定本地程 序計數器107相同，則流程到步驟240，否則流程到步驟280。步驟240中， 因為兩個程序計數器，全局程序計數器120和特定本地程序計數器107已被 確認為相等，因此現在本發明須確認現今指令是否為流程控制指令。若現今 指令為一流程控制指令，到步驟250,否則到步驟290。在步驟250中,此時 現今指令已被認定為是一流程控制指令，因此須計算現今流程控制指令須被 計算以決定流程控制結果。接著，到步驟260。在步驟260中，若特定處理單元105計算出要4丸行分支動作(branch taken)的結果，易而言之，即表 示處理單元105計算流程控制指令且其將取得流程控制，然後本發明到步驟295。若特定處理單元105計算出不要執行分支動作(branch not taken)的 結果，則本發明到步驟270。在步驟270中，本地程序計數器107被設定成 等於本地程序計數器107加一 (也就是，PClMal=PC,Ma)+l),然後本發明到步驟 210。回到步驟230,若全局程序計數器120未和特定本地程序計數器107相 等，流程進行至步驟280,其中本發明使本地程序計數器107保持現今值而 不改變。此外，緩存器文件109被遮蔽(mask)以防止寫入被使能。接著， 流程回到步驟210。步驟240中，因為兩個程序計數器，全局程序計數器120和特定本地程 序計數器107已被確認為相等，因此現在本發明須確認現今指令是否為流程 控制指令。若現今指令不為一流程控制指令，到步驟290。在步驟290中， 執行單元106執行現今指令。此外，本地程序計數器1Q7被設定成等於本地 程序計數器107加一 (也就是，PC,。cPC,織,+l),然後本發明到步驟210。回到步驟260,在步驟260中，若特定處理單元105計算出要執行分支 動作(branch taken)的結果，易而言之，即分支動作被執行，然後本發明 到步驟295 。在步驟295中，本地程序計數器IO7被設定成和現今執行的流 程控制指令有關的目標地址相等，此現今執行的流程控制指令由執行單元106 所執行，且流程回到步驟210。此外，若現今流程指令的執行進入一呼叫塊， 則已被清除的呼叫狀態位會被設定。然而，若現今流程指令的執行離開一呼 叫塊，則清除呼叫狀態位會被清除。上述的流程控制指令可為IF流程控制指令，但僅用以舉例，並非用以限 定本發明，亦即，其亦可為LOOP、 REP、 BREAK、 ELSE、 ENDIF、 ENDLOOP、 ENDREP、 BREAKC...等其它種類指令。因此，本發明的範圍應包含下列的方法使用已 揭露的具有本地程序計數器的流程控制結構，此結構使得預定指令包含一 IF 流程控制指令，而此IF流程控制指令並不需要具有(但亦可具有)相對應的 終端流程控制指令Endlf流程控制指令。須注意的是，比較全局程序計數器120的計數值和處理單元105中的本 地程序計數器107中的計數值的動作是用以判別具有最小本地程序計數值的 處理單元，此最小本地程序計數值由全局程序計數器120中所存儲的計數值所指示。然而，亦可以採用其它實施方式。舉例來it,;危禾呈4空制單元140比 較存儲在處理單元105中的本地程序計數器107中的計數值以判別具有最小 本地程序計數值的處理單元。接著，指令緩沖器110根據流程控制單元140 所產生的比較結果以提供欲被執行的指令，且被判別的處理單元105中的執 行單元106被流程控制單元140使能以根據比較結果執行指令。簡而言之， 流程控制單元140的動作等同於比較一參考值以及本地程序計數器107的計 數值以產生一比較結果。參考值可為存儲在全局程序計數器中的計數值，另 一本地程序計數器107中的計數值，或是其它電子組件根據所須設計所給予 的值。因此，指令緩沖器110根據比較結果而提供指令，執行單元106被流 程控制單元使能以根據比較結果執行指令。綜上所述，本發明提供了多數處理單元，且每一處理單元具有本地程序 計數器。且僅有具有最小本地程序計數器的執行單元執行現今指令。在坎套 或非坎套式呼叫流程控制的情況中，執行坎套或非坎套式呼叫指令的處理單 元被分類成同一群，且其本地程序計數器被優先確認是否為最小值，以得知 那一處理單元將執行現今指令。處理單元可以很容易被判別是否在一坎套式 流程控制的情況中，例如，可用一狀態位或一特定變量判斷之。本發明可以 在所有處理單元將計算流程控制指令時，使用和流程控制指令有關的目標地 址以藉由早期離開(early-out，也就是說，在所有的數據皆被判斷採取同一 個分支動作時，可以提早離開坎套或非坎套式流程控制塊，而不是一直停留 在坎套或非坎套式流程控制塊中，抓取不需執行的指令來執行，最後又將其 執行結果予以屏蔽)以得到更好的效率。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均 等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1. 一種處理系統中的預定指令的處理方法，該處理系統具有多數處理單元，該處理方法包含(a)提供一全局程序計數器，並設定該全局程序計數器的計數值，以作為被執行的所述預定指令的指令；(b)指定一本地程序計數器給每一處理單元，並根據該處理單元所執行的一現今指令設定該本地程序計數器的一計數值；以及(c)根據存儲在該處理單元的本地程序計數器以及該全局程序計數器的計數值，來使能至少一處理單元以執行所述預定指令中的一特定指令。
2. —種用以處理預定指令的處理系統，該處理系統包含 一指令緩沖器，用以接收並緩衝該預定指令；一全局程序計數器，耦接至該指令緩沖器，用以存儲一計數值，且該計 數值是作為被執行的該預定指令的指令； 多數處理單元，其中的每一個包含 一執行單元，用以執行指令；以及一本地程序計數器，用以根據該執行單元所執行的一現今指令設定 一計數值；以及一流程控制單元，耦接至該全局程序計數器以及每一處理單元，用以根 據存儲在該處理單元的該本地程序計數器以及該全局程序計數器的計數值使 能至少一處理單元以執行所述預定指令的一特定指令。
3. 如權利要求2所述的處理系統，其中，該流程控制單元在存儲在該特 定處理單元中的該本地程序計數器具有和該全局程序計數器相等的計數值 時，使能一特定處理單元以執行被全局程序計數器所指向的特定指令。
4. 如權利要求3所述的處理系統，其中，該特定指令是流程控制指令以 外的其它指令，且該流程控制單元控制該特定本地程序計數器以增加存儲在 該特定本地程序計數器中的該特定計數值。
5. 如權利要求3所述的處理系統，其中，該特定指令是一流程控制指令, 且該特定處理單元的該執行單元執行該流程控制指令以產生 一計算結杲，且 該流程控制單元根據該計算結果更新存儲在該特定本地程序計數器中的該特 定計數值。
6. 如權利要求5所述的處理系統，其中，該流程控制單元在該計算結果 使得該流程控制或分支指令指定的分支動作不執行時，增加存儲在該特定本 地程序計數器中的該特定計數值，以及該流程控制單元在該計算結果使得該 流程控制或分支指令指定的分支動作要執行時，指派對應於另一指令的一預 定目標地址給存儲在該特定本地程序計數器中的該特定計數值。
7. 如權利要求2所述的處理系統，其中， 一特定處理單元中的一特定本 地程序計數器在所述處理單元的該特定處理單元未被使能以執行該特定指令 時，維持存儲在所述特定本地程序計數器的 一特定計數值。
8. —種一處理系統中的預定指令的處理方法，該處理系統具有多數處理 單元，該方法包含(a) 比較存儲在多數本地程序計數器中的多數計數值以產生一比較結 果，其中所述計數值分別被指派給該處理單元；(b) 根據該比較結果提供該預定指令的一指令；以及(c) 根據該比較結果使能所述處理單元中的一特定處理單元以執行該指令。
9. 一種用以處理預定指令的處理系統，包含多數本地程序計數器，耦接於多數處理單元，其中，所述本地程序計數 器分別存儲多數計數值；一流程控制單元，耦"^妄於所述本地程序計數器，用以比較所述計數值；一指令緩衝器，接收並緩沖所述預定指令的一指令，並根據該流程控制 單元所產生的一比較結果提供該指令；以及一執行單元，耦接至該指令緩沖器並被該流程控制單元使能以根據該比 較結果執行該指令。
10. 如權利要求9所述的處理系統，其中，若該執行單元未被使能以執行該指令，則存儲在^^皮指派給該處理單元的一本地程序計數器的一特定計數 值會被維持。
11. 如權利要求9所述的處理系統，其中，若該指令是流程控制指令以 外的其它指令，該流程控制單元更增加存儲在對應該執行單元的一特定本地 程序計數器中的 一特定計數值。
12. 如權利要求9所述的處理系統，其中，若該指令為一流程控制指令， 該執行單元執行該流程控制指令以產生 一計算結杲且該流程控制單元且根據該計算結果更新存儲在對應該執行單元的 一特定本地程序計數器中的 一特定 計數值。
13. 如權利要求12所述的處理系統，其中，若該計算結果使得該流程控 制或分支指令指定的分支動作不執行，該流程控制單元增加存儲在該特定本 地程序計數器中的該特定計數值，而且若該計算結果使得該流程控制或分支 指令指定的分支動作要執行，該流程控制單元指派對應於另一指令的一預定 目標地址給存儲在該特定本地程序計數器中的該特定計數值。
14. 一種用以處理預定指令的處理系統，包含 一本地程序計數器，耦接於一處理單元，用以存儲一計數值； 一流程控制單元，耦接於該本地程序計數器，用以比較該計數值以及一參考值；一指令緩沖器，接收並緩衝所述預定指令的一指令，並根據該比較單元 所產生的一比較結果提供該指令；以及一執行單元，耦接至該指令緩沖器並被該流程控制單元使能以根據該比 較結果執行該指令。
15. 如權利要求14所述的處理系統，其中，該流程控制單元在該計數值 和該參考值相等時，使能該執行單元以執行該指令。
16. 如權利要求14所述的處理系統，其中，若該指令是流程控制指令以 外的其它指令，該流程控制單元更增加存儲在對應該執行單元的該本地程序 計數器中的該計數值。
17. 如權利要求14所述的處理系統，其中，若該指令為一流程控制指令， 該執行單元執行該流程控制指令以產生一計算結果且該流程控制單元根據該計算結果更新存儲在對應該執行單元的該本地程序計數器中的該特定計數值。
18. 如權利要求17所述的處理系統，其中，若該計算結果使得該流程控 制或分支指令指定的分支動作不執行，該流程控制單元增加存儲在該本地程 序計數器中的該計數值，而且若該計算結果使得該流程控制或分支指令指定 的分支動作要執行，該流程控制單元指派一預定目標地址給存儲在該特定本 地程序計數器中的該特定計數值，且該預定目標地址對應於另一指令。
19. 一種一處理系統中的預定指令的處理方法，該方法包含(a)比較一參考值以及存儲在被指派給一處理單元的一本地程序計數器中的 一計悽U直以產生一 比命i結果；(b) 根據該比較結果提供該預定指令的一指令；(c) 根據該比較結果使能該處理單元中以執行該指令。
全文摘要
本發明的較佳實施例揭露了一種一處理系統中的預定指令的處理方法，此處理系統具有多數處理單元，此方法包含提供一全局(global)程序計數器，並設定該全局程序計數器的計數值，以作為被執行的所述預定指令的指令；指定一本地程序計數器給每一處理單元，並根據該處理單元所執行的一現今指令設定該本地(local)程序計數器的一計數值；以及根據存儲在該處理單元的該本地程序計數器以及該全局程序計數器的計數值使能至少一處理單元以執行所述預定指令的一特定指令。
文檔編號G06F15/80GK101231584SQ20071000407
公開日2008年7月30日 申請日期2007年1月23日 優先權日2007年1月23日
發明者閻學斌 申請人:矽統科技股份有限公司