用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器的製造方法
2023-05-23 16:01:06
用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，所述互連器包括多模式互連控制器以及多模式互連結構模塊；所述多模式互連控制器用於存儲不同的互連結構選擇信息，並且將互連結構選擇信息發送至多模式互連結構模塊；所述多模式互連結構模塊用於根據多模式互連控制器的互連結構選擇信息在陣列上選擇一種或者多種互連結構，從而實現可重構陣列中計算單元互連。所述互連器在可重構陣列上實現滿足多種計算需求且計算性能良好的互連結構，此外互連結構還具有易於擴展、功耗低、面積小的優點。
【專利說明】用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及集成電路領域，尤其涉及一種用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器。
【背景技術】
[0002]目前，可重構結構起源於FPGA (現場可編程門陣列，Field — Programmable GateArray)，作為新興的硬體處理器結構，其兼具通用處理器軟體執行的靈活性與專用集成電路的高效性。已經廣泛地應用於通信領域、媒體應用、密碼等領域，其研發周期短，功耗低，目前已被越來越多的領域所接受，具有廣闊的發展空間。
[0003]由於在FPGA中，互連資源佔用將近70%的晶片面積，互連延遲佔用在50%_60%。粗粒度可重構結構，作為可重構結構中的一類，由於計算粒度大，需要重新配置的信息少，重構時間短很好的解決了 FPGA中的互連問題。
[0004]粗粒度可重構結構不僅可以改變控制流，還可以快速改變數據通路，滿足陣列快速實現多種算法的需求。要使陣列能夠快速實現多種算法的計算，那麼深入研究互連結構設計是設計過程中必不可少的內容。
[0005]路由結構對可重構計算陣列的數據流水效率至關重要，且路由結構的互聯開銷對可重構計算陣列資源開銷影響巨大。傳統的可重構計算陣列路由結構包括如下三種基本形式:全局共享式路由結構、局部共享式路由結構以及全互聯路由結構。
[0006]在全局共享式路由結構中，可重構計算陣列中所有的計算單元通過唯一訪問接口共享數據寄存器文件，數據寄存器文件可以被任意計算單元訪問。這種路由結構能提供足夠高的靈活度，並且互連的硬體開銷也很低，但是不能夠很好地支持上述針對陣列流水性能的優化方法。因為當多個計算單元需要緩存多個數據時，這些計算單元對數據寄存器文件的讀取操作會產生訪問衝突，產生兩類問題。首先，無法保證數據讀取時間，可能在預期時間無法取得所需數據，導致運算出錯；其次，為了處理訪問衝突會帶來額外的等待延遲，必須在流水線中引入額外的數據訪問等待節拍，使得原有的流水性能惡化。
[0007]在局部共享式路由結構中，計算陣列中的某幾個計算單元共享一個(或幾個)數據寄存器，每個數據寄存器可以被周圍的幾個計算單元訪問，其互連開銷要遠小於全互聯的路由結構，硬體開銷與具體的互連規模有關；
[0008]全互聯結構實際上是局部共享式結構的一個極端情況，即任意數據寄存器都可以被陣列中所有的計算單元共享，但是互連硬體開銷極大。
[0009]本發明在全局共享式路由結構的基礎上，提出了一種用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，解決了滿足多種計算需求且計算性能惡化的問題。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是針對現有技術的一種或多種不足而提供一種用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，所述互連器在可重構陣列上實現滿足多種計算需求且計算性能良好的互連結構。
[0011]為了實現發明目的，本發明公開了一種用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，所述互連器包括多模式互連控制器以及多模式互連結構模塊；
[0012]所述多模式互連控制器用於存儲不同的互連結構選擇信息，並且將互連結構選擇信息發送至多模式互連結構模塊；
[0013]所述多模式互連結構模塊用於根據多模式互連控制器的互連結構選擇信息在陣列上選擇一種或者多種互連結構，從而實現可重構陣列中計算單元互連。
[0014]作為優選，為了增強針對多任務中數據路由的並行管理能力，所述多模式互連控制器包括廣播式互連寄存器，多組織網絡互連寄存器，計算單元自反饋互連寄存器以及累加式互連寄存器；
[0015]所述廣播式互連寄存器用於存儲多模式互連控制器接收到的廣播式互連結構選擇信息，並且當多模式互連控制器接收到廣播式互連指令時將廣播式互連結構選擇信息發送至可重構陣列；
[0016]所述多組織網絡互連寄存器用於存儲多模式互連控制器接收到的多組織網絡互連結構選擇信息，並且當多模式互連控制器接收到多組織網絡互連指令時將多組織網絡互連結構選擇信息發送至可重構陣列；
[0017]所述計算單元自反饋互連寄存器用於存儲多模式互連控制器接收到的計算單元自反饋互連結構選擇信息，並且當多模式互連控制器接收到計算單元自反饋互連指令時將計算單元自反饋互連結構選擇信息發送至可重構陣列；
[0018]所述累加式互連寄存器用於存儲多模式互連控制器接收到的累加式互連結構選擇信息，並且當多模式互連控制器接收到累加式互連指令時將累加式互連結構選擇信息發送至可重構陣列。
[0019]作為優選，為了增強針對異構運算高效的任務流水線互連結構，所述多模式互連結構模塊包括廣播式互連模塊，計算單元自反饋互連模塊，多組織網絡互連模塊，累加式互連模塊；
[0020]所述廣播式互連模塊用於將除法陣列計算單元的計算結果廣播至基本計算陣列的計算單元中，以及將基本計算陣列中預定計算單元的計算結果反饋給除法陣列計算單元;
[0021]所述計算單元自反饋互連模塊用於將計算單元的輸出端與自身的輸入端相連，將輸出數據作為輸入數據重新操作；
[0022]所述多組織網絡互連模塊用於相鄰層間計算單元的數據傳輸，相鄰列間計算單元的數據交互；
[0023]所述累加式互連用於在FIR等運算中涉及的逐次累加計算，通過倒三角陣列形式，將數據逐層相加，最終計算得數據累加結果。
[0024]作為優選，為了增強不同計算單元陣列互連過程中數據一到多分發的效率，所述廣播式互連模塊包括層間路由盒、列寄存器以及全局互連線；所述層間路由盒用於將除法陣列計算單元的運算結果輸出到路由盒，通過路由盒分散至各個列寄存器，實現多數據輸入和多數據輸出；所述全局互連線用於將計算單元與層間路由盒、層間路由盒與寄存器、寄存器與計算單元連接起來形成流水線；所述列寄存器通過全局互連線輸入輸出埠分別與路由盒及目的列的計算單元相連。
[0025]作為優選，為了在控制互聯硬體開銷和互聯線傳輸延遲的同時，實現同構計算單元陣列間高效、可擴展的數據傳輸，所述多組織網絡互連模塊包括鄰層計算單元互連模塊，鄰列計算單元互連模塊，邊界列計算單元互連模塊；
[0026]所述鄰層計算單元互連模塊用於相鄰上下兩層計算單元間數據的傳輸，互連組成包括層間互連盒和垂直、左下、右下三個方向連線；
[0027]所述鄰列計算單元互連模塊用於將每層最右側層間互連盒與最下層左側計算單元連接起來以及將最左側層間互連盒與最下層右側計算單元連接；
[0028]所述鄰邊界列計算單元互連模塊互連用於相鄰左右兩列計算單元間數據的傳輸，從最左側列開始，將最底層計算單元與其相鄰右側頂層的計算單元相連，依次將左側列最底層計算單元與其相鄰右側頂層計算單元相連；
[0029]其中，所述層間互連盒用於選擇將上層計算單元的輸出數據傳輸到下層同列或者左右兩側計算單元中；右下連線，行循環連線；
[0030]所述左下連線用於連接層間互連盒與其同列下層左側計算單元；
[0031]所述垂直連線用於連接層間互連與其同列上下兩個計算單元；
[0032]所述右下連線用於連接層間互連與其同列下層右側計算單元。
[0033]本發明與現有技術相比，所述互連器在可重構陣列上實現滿足多種計算需求且計算性能良好的互連結構，此外互連結構還具有易於擴展、功耗低、面積小的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明的多模式數據傳輸互連器結構示意圖；
[0035]圖2為本發明實施例廣播式互連結構示意圖；
[0036]圖3為本發明實施例多組織網絡互連結構示意圖；
[0037]圖4為本發明實施例累加式互連結構示意圖；
[0038]圖5為本發明實施例計算單元自反饋互連結構示意圖；
[0039]圖6為本發明圖1所示互聯器的互連結構示意圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0041]圖1為本發明的多模式數據傳輸互連器結構示意圖。如圖1所示，提供一種用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，其包括多模式互連控制器由廣播式互連寄存器、多組織網絡互連寄存器、計算單元自反饋互連寄存器以及累加式互連寄存器組成。多模式互連結構模塊由廣播式互連模塊、多組織網絡互連模塊、計算單元自反饋互連模塊以及累加式互連模塊組成。
[0042]在具體的實行中，多模式互連控制器分別用於存儲廣播式互連、多組織網絡互連、計算單元自反饋互連以及累加式互連的選擇信息。當控制信息進入多模式互連控制器後，多模式互連控制器就會根據控制信息將相應的互連寄存器中的互連選擇信息發送至多模式互連結構模塊，多模式互連結構模塊根據多模式互連控制器的選擇信息在陣列上將計算單元互連起來。例如，廣播式互連模塊還用於將除法陣列計算單元的計算結果廣播至基本計算陣列的同構計算單元和累加計算單元中，以及將基本計算陣列中預定計算單元的計算結果反饋給除法計算單元陣列，其中，基本計算單元整列和除法計算單元陣列形成可重構陣列，基本計算單元陣列包括同構計算單元陣列和累加計算單元陣列。
[0043]在附圖1中，就是除法計算單元陣列和基本計算單元陣列這兩塊。
[0044]圖2為本發明實施例廣播式互連結構示意圖。如圖2所示，提供一種廣播式互連結構，其包括:除法計算單元陣列，具有1*8操作數為32位的除法計算單元；列寄存器，具有8個寄存器，存儲數據為32位；同構計算單元陣列，具有6*8的同構計算單元，操作數為32位；兩個路由盒，位於除法計算單元陣列與同構計算單元陣列之間。
[0045]在廣播式互連中，基本計算單元通過互聯線組成列單元，每列計算單元與相應的列寄存器相連，形成數據一到多廣播傳輸互連。列寄存器通過互聯線組成行單元，與除法計算單元輸出端的路由盒的輸出端相連，形成除法計算單元到同構計算單元的廣播互連。數據從除法計算單元輸出，通過32位寬的全局互連線通過兩個周期傳輸到同構計算單元。除法計算單元陣列輸入端的路由盒將外部輸入數據或者是同構計算單元反饋數據通過32位互連線廣播至行除法計算單元陣列中的每一個除法計算單元。
[0046]圖3為本發明實施例多組織網絡互連結構示意圖。如圖3所示，多組織網絡互連結構包括:同構計算單元陣列，具有6*8同構計算單元，其中，同構計算單元操作數為32位，多組織網絡互聯互連包括同構計算單元鄰層互連、鄰列互連、邊界列互連。
[0047]相鄰層間同構計算單元的互連，通過層間路由選擇，可以將上層同構計算單元的輸出結果，通過32位互連線傳送至下層垂直、左下、右下三個計算單元中，在一個周期內實現相鄰層間同構計算單元的數據傳輸。
[0048]邊界列互連，用於將每層最右側層間互路由盒與最下層左側計算單元，通過32位互連線連接起來，以及最左側層間路由盒與最下層右側計算單元連接，實現數據在一個周期內在陣列邊側的同構計算單元間傳輸。
[0049]鄰列互連，將相鄰列的首尾計算單元，通過32位的互連線連接起來。從左側第一列開始，依次將左側列的最底部的計算單元的輸出端與相鄰的右側列頂部同構計算單元的輸入相連，實現單周期內列間數據的傳輸。
[0050]圖4為本發明實施例累加式互連結構示意圖。如圖4所示，累加式互連結構包括五層累加計算單元，例如，第一層具有8個累加計算單元，第二層具有四個累加計算單元，第三層有2個累加計算單元，第四層、第五層分別由I個累加計算單元其用於涉及逐次累加的計算。其中，五層累加計算單元例如呈倒三角布局，將三個鄰近的累加計算單元連通過32位互連線，連接成倒三角結構。
[0051]經過互連線，將行間相鄰兩個累加計算單元的輸出端與下一行同一個累加計算單元的輸入端相連，在下行的累加計算單元中完成上一行兩個累加計算單元數值的相加，依次類推組成累加互連，完成累加計算單元的互連。
[0052]圖5為本發明實施例計算單元自反饋互連結構示意圖。如圖5所示，提供計算單元自反饋互連結構，其通過32位互連線，將自反饋計算單元的輸出端與自身的輸入端相連，將輸出數據作為輸入數據重新操作，適用於累加、累乘等多次重複操作的自運算。
[0053]圖6為本發明圖1所示互聯器的互連結構示意圖。如圖6所示，在陣列上同時選擇多組織網絡互連結構、累加互連以及計算單元自反饋互連結構，形成FIR(濾波器，FiniteImpulse Response)計算的互連結構。
[0054]在具體的實行中，互連結構包括:同構計算單元陣列，具有6*8同構計算單元，其中，同構計算單元操作數為32位，陣列內鄰層、鄰列同構計算單元間數據傳輸為單周期。累加計算單元陣列為5行累加計算單元組成，例如，第一層具有8個累加計算單元，第二層具有四個累加計算單元，第三層有2個累加計算單元，第四層、第五層分別由I個累加計算單元其用於涉及逐次累加的計算。其中，五層累加計算單元例如呈倒三角布局，操作數據為32位，層間數據傳輸為單周期。一個自反饋計算單元，操作數位為32位。操作數據通過路由盒，分散到同構計算單元陣列各列的同構計算單元中進行乘操作。乘得的結果通過互連線，在一個周期內依次傳輸到累加式互連累加計算單元陣列中，將拆分開計算的乘積相加。後通過自反饋計算單元自反饋互連完成所有計算乘積的累加和，求的FIR計算的數值。通過與全局互連結構，基於簇的總線互連試驗結果相比較，採用多組織網絡互聯、累加式互連、自反饋計算單元互連組合的互連結構性能分別提升了 23%和37%。
[0055]以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬於本發明的保護範圍。
[0056]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。
【權利要求】
1.一種用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，其包括: 多模式互連控制器，用於存儲不同的互連結構選擇信息； 多模式互連結構模塊，用於根據多模式互連控制器的互連結構選擇信息在陣列上選擇一種或多種互連結構模塊，所述多模式互連控制器將所述互連結構選擇信息發送至多模式互連結構模塊，從而實現可重構陣列中計算單元互連。
2.如權利要求1所述的用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，其中，所述多模式互連控制器還包括: 廣播式互連寄存器，用於存儲所述多模式互連控制器接收到的廣播式互連結構選擇信息，且當所述多模式互連控制器接收到廣播式互連指令時，將所述廣播式互連結構選擇信息發送至所述可重構陣列； 多組織網絡互連寄存器，用於存儲所述多模式互連控制器接收到的多組織網絡互連結構選擇信息，並且當所述多模式互連控制器接收到多組織網絡互連指令時，將所述多組織網絡互連結構選擇信息發送至所述可重構陣列； 計算單元互連寄存器，用於存儲所述多模式互連控制器接收到的自反饋計算單元自反饋互連結構選擇信息，並且當所述多模式互連控制器接收到自反饋計算單元自反饋互連指令時，將自反饋計算單元自反饋互連結構選擇信息發送至可重構陣列； 累加式互連寄存器，用於存儲所述多模式互連控制器接收到的累加式互連結構選擇信息，並且當所述多模式互連控制器接收到累加式互連指令時，將累加式互連結構選擇信息發送至可重構陣列。
3.如權利要求2所述的用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，其中，所述多模式互連結構模塊包括: 廣播式互連模塊，用於將除法陣列計算單元的計算結果發送至基本計算陣列的計算單元中，以及將所述基本計算陣列中預定計算單元的計算結果反饋給所述除法陣列計算單元; 計算單元自反饋互連模塊，用於將計算單元的輸出端與所述計算單元的輸入端相連，將輸出數據作為輸入數據重新操作的自運算； 多組織網絡互連模塊，用於相鄰層間計算單元的數據傳輸，相鄰列間的所述計算單元的數據交互； 累加式互連模塊，用於逐次累加計算，通過倒三角陣列形式，將數據逐層相加，計算得數據累加結果。
4.如權利要求3所述的用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，其中，所述廣播式互連模塊還包括: 層間路由盒，用於將所述除法陣列計算單元的運算結果輸出到所述路由盒； 列寄存器，通過所述路由盒分散至各個列寄存器，實現多數據輸入和多數據輸出； 全局互連線，用於將所述計算單元與所述層間路由盒、所述層間路由盒與所述寄存器、所述列寄存器與所述計算單元連接起來形成流水線； 所述列寄存器通過全局互連線的輸入、輸出埠分別與所述路由盒及目的列的計算單元相連。
5.如權利要求3所述的用於粗粒度動態可重構陣列的多模式數據傳輸互連器，其中，所述多組織網絡互連模塊還包括: 鄰層計算單元互連模塊，用於相鄰上、下兩層同構計算單元間數據的傳輸，互連組成包括所述層間互連盒和垂直、左下、右下三個方向的所述同構計算單元連線； 鄰列計算單元互連模塊，用於將每層最右側所述層間互連盒與最下層左側所述同構計算單元連接起來以及將最左側所述層間互連盒與最下層右側所述同構計算單元連接； 邊界列計算單元互連模塊，用於相鄰左、右兩列所述同構計算單元間數據的傳輸，從最左側列開始，將最底層所述同構計算單元與其相鄰右側頂層的所述同構計算單元相連，依次將左側列最底層所述同構計算單元與其相鄰右側頂層所述同構計算單元相連； 所述層間互連盒用於選擇將上層所述同構計算單元的輸出數據傳輸到下層同列或者左、右兩側所述同構計算單元中、右下連線、行循環連線； 所述左下連線用於連接層間互連盒與其同列下層左側所述同構計算單元； 所述垂直連線用於連接層間互連與其同列上下兩個所述同構計算單元； 所述右下連線用於連接層間互連與其同列下層右側計算單元。
【文檔編號】G06F15/173GK203982379SQ201420192546
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】劉波, 曹鵬, 劉炎, 朱婉瑜, 杜月, 張亞, 楊錦江 申請人:東南大學