具有獨立輸出的交換開關系統及其方法
2023-04-24 20:09:11 2
專利名稱：具有獨立輸出的交換開關系統及其方法
技術領域：
本發明涉及圖形處理，特別是涉及具有獨立輸出的交換開關(crossbar)系統與方法。
背景技術：
現今的計算機系統常包含有多個處理器，像是除了中央處理單元(central processing unit，CPU)等主處理器外，亦配有如圖形處理單元(graphic processing unit，GPU)等輔助處理器，設計用來進行特殊的處理任務，在進行這些任務時，圖形處理單元就可以讓中央處理單元去處理其它任務。有時，圖形處理單元等輔助處理器會與中央處理單元一同整合至計算機的主機板上，此時，該中央處理單元可能為一微處理器，不過，本領域的技術人員也知曉，圖形處理單元及/或其它輔助處理裝置可以另外設置在計算機卡上，再與計算機電連接，如圖形處理單元即設置在顯示卡(graphicscard)上。
如果圖形處理單元能夠運算或處理指令的速度越快，那麼所生成的圖像也越細緻，就表示這個圖形處理單元越好，不過，我們知道圖形處理單元於處理管線(pipeline)中可能包含各式組件，以既定的順序和/或方式進行計算及操作，如此，常發生一部份圖形處理單元的處理組件處於閒置狀態，必須等到另一部份組件將數據處理完畢，才能進行後續操作，如果這些閒置組件此時可以用來進行其它的運算，而不再只是閒置等待下一個指令，那麼圖形處理單元會有更佳的處理速度及效率。
同樣地，圖形處理單元的組件會連接至可於圖形處理單元的各組件間移動數據的功能性組件，因為圖形處理單元可能包含很多的組件，及時地於各組件間傳送數據會是相當複雜的操作。
舉個例子，圖形處理單元中的存儲交換單元(memory exchange unit，MXU)即屬此類裝置，存儲交換單元可以進行邏輯地址與實體地址轉換等運算，並經由存儲接口單元(memory interface unit，MIU)讀/寫數據，以便與圖像引擎邏輯地址同步。
圖1是計算裝置的示意圖，內含連接至圖形處理單元13的中央處理單元(central processing unit，CPU)15，圖形處理單元13包含如前述的存儲交換單元11，圖1的計算裝置還可以包含一個或多個輸出入裝置17和存儲器18，全部與總線26連接，而存儲器18存儲器有作業系統19和一個或多個應用程式20(或其它軟體)。圖1的計算裝置並非用來限制本發明，本領域的技術人員應知道圖1的計算裝置尚可包含其它組件及/或結構。
圖1的存儲交換單元11可包含交換開關組件，用以接受一個或多個輸入，並具有一個或多個輸出端，舉個例子，交換開關10具有一個輸入端，可將此輸入端接收到的信號傳送給五個輸出端(或是更多輸出端)之一。
交換開關10包含一寫入指標控制器(write pointer controller)12或是其它種寫入控制器，用以接收寫入致能信號，寫入致能信號包含有目標ID(destination ID)和將被傳送至交換開關10的某一特定輸出端的數據，亦即數據將從存儲交換單元11傳送至某一輸出端。寫入指標控制器12可以將寫入致能信號中的數據存入存儲元件中，如先進先出(first-in-first-out，FIFO)裝置14，於一非限定實施例中，先進先出裝置14可以被規劃成600位的存儲裝置，以儲存寫入指標控制器12所接收到的數據。
交換開關10還可包含一讀取指標控制器(read pointer controller)16或是其它種的讀取控制器，用以讀取先進先出裝置14的內容，其讀取順序與數據寫入先進先出裝置14的順序相同。如圖1所示，讀取指標控制器16會根據儲存在先進先出裝置14的數據的目標ID，將這些數據傳送至輸出狀態機(output state machine)21-25中的某一特定個，每一個輸出狀態機21-25可以連接到圖形處理單元13的其它組件，如本例中的存儲接口單元0-3(組件符號31-34)或總線接口單元(bus interface unit，BIU)35。
本領域的技術人員了解，目前交換開關10常使用先進先出裝置14來儲存數據，以便如圖1般將數據傳送給不同的輸出端，不過先進先出裝置14有一特性，就是會等到讀取指標控制器16將前一寫入數據讀出後，才可以再從先進先出裝置14讀取目前的數據，因而造成延遲。
本領域的技術人員了解，先進先出裝置14中每一項目位置的數據會被依序讀取，於一非限定實施例中，如果輸出0狀態機21和輸出3狀態機24所需的數據分別儲存在先進先出裝置14的第一項目位置和第二項目位置，當輸出0狀態機21的次一筆數據進入第三項目位置，那麼必須等到輸出3狀態機24讀取位於先進先出裝置14中第二項目位置的數據之後，輸出0狀態機21才能讀取放在第三項目位置的次一筆數據。
如圖1所示，讀取指標控制器16可以循著方塊標示的實線路徑36傳送位於先進先出裝置14中第一項目位置的數據給輸出0狀態機21，圓圈標示的虛線38則代表位於先進先出裝置14中第二項目位置的數據傳送路徑，當先進先出裝置14中第一項目位置所儲存的數據傳送到輸出0狀態機21之後，儲存在先進先出裝置14中第二項目位置的數據才能傳送到輸出3狀態機24。
如前所述，如果存儲接口單元334因延遲而沒準備好要接收輸出3狀態機24的數據，那麼將不會進行圓圈標示路徑38所表示的讀取操作，除非存儲接口單元334準備好要接收數據。因此下一筆指定給輸出0狀態機21的數據就無法依照三角標示路徑41從先進先出裝置14的第三項目位置傳送給輸出0狀態機21，必須先讓儲存於先進先出裝置14中第二項目位置的數據沿著圓圈標示路徑38，從讀取指針控制器16傳送到輸出3狀態機24。因此圖1的交換開關可能使圖形處理單元13產生延遲，如此圖形處理單元13就無法進行快速而有效的運算。
因此，上述缺點急待一解決辦法。
發明內容
一圖形處理單元內的一存儲交換單元包含具有獨立輸出的交換開關，該具有獨立輸出的交換開關又包含一寫入控制器，該寫入控制器具有一輸入端，可接收包含有數據及目標ID的信號，該具有獨立輸出的交換開關還包含一存儲器，內含有與該寫入控制器連接的多個獨立存儲項目，該寫入控制器搜尋一可用存儲項目以儲存該數據，於一非限定實施例中，該寫入控制器可循環搜尋該多個存儲項目，以找出次一可用存儲項目，存儲項目包含一可用性指針，當該存儲項目已填滿時設定為第一狀態，而當該存儲項目可用時設定為第二狀態，一旦發現可用存儲項目，則該寫入控制器將該數據寫入該可用存儲項目。
一讀取組件包含多個讀取控制器，該讀取控制器連接至該存儲器的每一存儲項目，每一讀取控制器對應至一特定輸出端，當接收到指示獲悉一存儲項目內儲存有其對應輸出端所需的數據時，該讀取控制器便從該存儲項目讀取數據，該寫入控制器可以藉由一特定讀取控制器內的先進先出存儲器通知該數據儲存於哪一個存儲項目內，其中該數據指定輸出給該特定讀取控制器所連接的該輸出端，該讀取控制器接著自該存儲項目讀取其連接輸出端所需的數據，並傳送該數據給該輸出端。
因此，交換開關的輸出端可以獨立運作，不會因其它輸出端還未準備好從某一存儲項目接收數據而造成延遲，尤其各自獨立的讀取控制器可以致能任一存儲項目的讀取操作，以讀取必須傳送給本身所連接輸出端的數據，不受存有其它輸出端所需數據的其它存儲項目的狀態所影響。
本發明還提供一種信號傳輸方法，其應用於一圖形處理單元內的一交換開關，將該交換開關自一輸入端接收的信號傳送至多個輸出端，該方法包含下列步驟搜尋該交換開關內的多個存儲項目內的次一可用存儲項目，以儲存包含數據及一目標辨識的該信號；將該數據寫入該次一可用存儲項目內；傳送該次一可用存儲項目的識別信息至該多個讀取控制器內的一特定讀取控制器，該特定讀取控制器連接至對應於該目標辨識的一輸出端；自該特定讀取控制器的該存儲器內讀取該識別信息；自該識別信息指定的該次一可用存儲項目內讀取該數據；以及根據該目標辨識將該數據傳送至該交換開關的該輸出端。
圖1為一計算裝置的方塊圖，內有一圖形處理單元，其包含具有一交換開關的存儲交換單元，其中因為先進先出存儲器的運作，於輸出時會造成延遲。
圖2為一交換開關的方塊圖，其改善了圖1交換開關的缺點，使得一個輸出端可以根據目標ID而任意與五個輸出通道的一相連接。
圖3為一流程圖，說明圖2中交換開關能不延遲地自一輸入信道傳送數據至多個輸出通道的步驟，此例中為五個輸出通道。
圖4說明圖2中寫入指標控制器將接收的目標ID及相關數據，以儲存數據於圖2的項目位置之一。
圖5說明圖2中寫入指標控制器選擇用來儲存數據的存儲項目的順序。
圖6為圖2中五個讀取指標控制器的一的部份方塊圖。
附圖符號說明交換開關10、50存儲交換單元11寫入指針控制器12 圖形處理單元13先進先出裝置14中央處理單元15讀取指標控制器16、55 輸出入裝置17存儲器18、52 作業系統19應用程式20輸出狀態機21-25存儲接口單元31-34 總線接口單元35路徑36、38、41、51、53、78、79信號63目標ID 64數據65先進先出存儲器75讀取順序76組件7具體實施方式
本發明的觀念可藉由下列附圖以獲得更進一步的了解，附圖中的組件沒有限制比例及排列方式，僅用於清楚說明本發明的原則，另外，附圖中相似的組件符號用於標示各圖中對應的部份，當這些附圖用於說明實施例時，不表示本發明即限定於此實施例，相反地，應包含所有的替換、修改及均等。
圖2為一交換開關50的方塊圖，不同於圖1的交換開關10，交換開關50包括內含八個項目的存儲器52，以完成獨立輸出的作用，在此非限定實施例中，寫入指標控制器12可以從路徑51接收一寫入致能信號，而數據將會輸出至四個存儲接口單元0-3(組件符號31-34)和/或總線接口單元35中的一個。
於此非限定實施例中，具有八個獨立存儲項目的存儲器52取代了圖1的先進先出裝置14，以接收寫入指標控制器12所寫入的數據，寫入指針控制器12可以選擇存儲器52中的八個獨立存儲項目0-7中的一個來儲存數據，供該讀取指針控制器55讀出，此部份將詳細說明如後。
如圖2所示，於一非限定實施例中，讀取指標控制器55可以包含五個相同的組件，以接收將輸出給輸出狀態機21-25的數據，每一個讀取指標控制器55可以存取任一個存儲項目，並將讀取的數據傳送至適當的輸出端，如此，寫入指標控制器12可以在存儲器52的存儲項目3寫入要給存儲接口單元031的數據，也可以在存儲項目1和存儲項目6寫入要給存儲接口單元334的數據，這些組件可以接收其指定數據而不受其它組件或寫入順序所影響，因此不會有現有技術的延遲問題。
圖3為一流程圖60，說明圖2中交換開關50的運作方式，以下說明請同時參考圖2。如圖3所示，於步驟62中，從圖形處理單元內的來源組件所得到的數據和目標ID將經由寫入致能信號路徑51或其它類似的傳輸路徑傳送到寫入指針控制器12。圖4說明經由寫入致能信號路徑51接收的信號63，在圖4中，信號63可以包含目標ID 64和數據65，其將於上述步驟62中被傳送至寫入指標控制器12。
當寫入指針控制器12接收到信號63，進入步驟66，開始搜尋圖2中存儲器52的次一可用存儲項目，於此非限定實施例中，存儲器52沒有被設計成一個先進先出裝置，如圖1中的先進先出裝置14，而是被設計成包含有八個獨立存儲項目的存儲器。
於一非限定實施例中，寫入指標控制器12可以將數據寫入存儲器52內的空存儲項目或不包含未讀取數據的存儲項目，寫入指針控制器12可以利用特定的方式循環搜尋存儲器52內的不同存儲項目，以判斷某一存儲項目是否可用於接收寫入信號路徑51上的信號63，此信號63內包含有數據65。
於一非限定實施例中，存儲器52的每一存儲項目具有一可用性指針或是可規劃一位，如俗稱的修改位(dirty bit)，如果一特定存儲項目已滿，就表示數據65已寫入存儲項目位置，但是還未讀出，於一非限定實施例中，可將可用指示位設為1。
如圖3的步驟67和步驟69，當可用指示位為1，寫入指標控制器12會知道這個存儲項目已滿不可用，因此，於圖3的步驟66中，寫入指標控制器12會搜尋存儲器52的次一可用存儲項目，好用來儲存從寫入致能信號路徑51接收到的數據。如前所述，寫入指標控制器12再一次執行步驟67，判斷次一存儲項目位置的可用指示位是否為0，如果可用指示位不為0，而是1，那麼寫入指標控制器12就會於步驟69中移至再下一個存儲項目，然後檢查其可用性。
圖5是寫入指標控制器12的搜尋順序圖70，寫入指標控制器12會跟著這個順序找出可用的存儲項目，於一非限定實施例中，如果目前的寫入指針位置在存儲項目7，當接收到從寫入致能信號路徑51(圖2)進來的新數據，寫入指針控制器12會判斷存儲項目0的可用性，如果項目0和項目1的可用指示位都是1，那麼表示這兩個存儲項目內都有數據寫入但是還未被讀取，因此寫入指標控制器12會跳過存儲項目0和項目1，再判斷存儲項目2的可用指示位，如果所有的存儲項目都滿了，如圖2所示，寫入指標控制器12會從路徑53送出一存儲填滿信號給圖形處理單元的來源組件(圖中未顯示)。
在圖3的步驟67中，如果存儲項目2的可用指示位為0，則表示已找到一個可用存儲項目，寫入指針控制器12便可以進行圖3的步驟71，寫入指標控制器12將圖4的數據65寫入這個可用存儲項目內，於此非限定實施例中，即存儲項目2。
如前所述，圖4的信號63包含目標ID 64和數據65，因此數據65要送至圖2中交換開關50的哪一個輸出端，目標ID 64可包含一識別標誌或識別信息。在步驟74中，寫入指標控制器12便可以傳送存儲項目ID 64給對應於該目標輸出端的讀取指針控制器55，所稱目標可為圖2中的存儲接口單元0-3 31-34或總線接口單元35。
如前所述，於此非限定實施例中，讀取指標控制器55可以包含五個相同的讀取指標控制器，分別與對應的輸出狀態機21-25連接，這些輸出狀態機又分別與各自的輸出端連接，圖6的讀取指標控制器55x只顯示一個代表性的讀取指標控制器，其為圖2中讀取指標控制器55的一部份，本領域的技術人員均知讀取指標控制器55可以包含五個或更多的此種組件，當然同時要跟著變更交換開關50的輸出端數目。
如圖6所示，每一個讀取指標控制器55x可包含一個先進先出存儲器75，用以接收信號63中的目標ID64，此部分已於圖3的步驟7 4說明過，換句話說，圖2中的寫入指標控制器12會將目標ID64寫入對應到特定輸出端的讀取指標控制器55x，儲存在先進先出存儲器75內。於圖6的例子中，藉由將目標ID64存入先進先出存儲器75中，讀取指針控制器55x可以知道將要傳送到與其連接的輸出端的數據65是儲存在存儲器52的項目4內。
當先進先出存儲器75內有寫入東西，讀取指標控制器55x的組件77會產生一讀取致能信號(亦可見於圖2)，以讀取存儲器52的存儲項目4內的數據內容，如圖3的步驟82，根據路徑79上的地址信號，從組件77發出的讀取致能信號可以經由讀取致能路徑78傳送到存儲器52的存儲項目4。
於一非限定實施例中，圖6的讀取指標控制器55x可以指定給與存儲接口單元031連接的輸出0狀態機21，先進先出存儲器75可以儲存數個存儲項目ID，以紀錄必須從存儲器52傳送到存儲接口單元031的數據是儲存在哪些存儲項目中，其數量沒有限制，可以等於、多於或少於存儲項目的數量，超過的存儲項目ID可以依箭頭76的順序儲存在先進先出存儲器75內，則組件77可依適當的順序從存儲器52的不同存儲項目取得數據，此為圖3的步驟84，如此存儲器52內的數據可以被傳送至輸出0狀態機21，然後再輸出給存儲接口單元031。
因此，每一個輸出端基本上有其自己的讀取指標控制器55x，另外，存儲器52內各存儲項目0-7的運作各自獨立，所以任一輸出端不會延遲到其它輸出端的數據傳送。
於一非限定實施例中，寫入指標控制器12可以將指定給輸出0狀態機21的信號內的數據儲存在存儲器52的存儲項目0、存儲項目2和存儲項目4內，同樣地，當寫入指標控制器12接收到其它信號63，其內的數據指定要傳送給輸出4狀態機25，則其數據可以儲存在存儲器52的存儲項目1和存儲項目3內，如前所述，讀取指標控制器55可以具有五個相同的讀取指標控制器，所以，與輸出0狀態機21連接的讀取指針控制器即可從存儲器52的存儲項目0、存儲項目2和存儲項目4存取數據，而不影響與輸出4狀態機25連接的讀取指針控制器從存儲器52的存儲項目1和存儲項目3存取數據，因此本領域的技術人員可知讀取指標控制器55內的每一個讀取指標控制器均獨立運作，以存取儲存在存儲器52內的存儲項目的內容，並將此數據傳送給適當的輸出端。
如前所述，存儲器52內每一個存儲項目的可用指示位可以於1和0間切換，以表示存儲項目的可用狀態或不可用狀態，因此寫入指標控制器12可以依據其可用性持續將數據加載存儲器52的不同存儲項目內，即便一個輸出端綁住了存儲器52內的某些存儲項目，這個方法仍舊能讓數據從寫入指針控制器經由讀取指標控制器55移動到不同的輸出端。於此實施例中，即使存儲器52內的某些存儲項目正被使用，剩下的存儲項目仍可供寫入指標控制器12寫入並傳送至圖2中交換開關50的其它輸出端。如此即建立了獨立的輸出通道，任一輸出端不須再等候其它的輸出端完成輸出請求。另外，因為寫入指標控制器12對任何輸出均利用次一可用存儲項目，所以即使是在不平衡的輸出狀態下，像是其中的一個輸出端比起其它的輸出端有較大的流量，也還是可以充分利用存儲器52，也因此這個方法基本上給了每一個存儲接口單元或總線接口單元專用的數據流路徑。
本領域的技術人員可知，存儲器52可以具有比實施例所示更多或更少的存儲項目，同樣地，交換開關50的輸出端數量也可以增加或減少以符合需求，當然讀取指標控制器55x的數量也要跟著調整。
前述實施例僅為說明之用，而不用於限制本發明的範疇，依據前述說明可為適當的修改或變化，所討論及選擇的實施例僅用於說明本發明的原理及其實際應用，本領域的技術人員可因應預期的特殊使用進行適當的修改，而衍伸出不同的實施例，所有此類修改及變化均不脫離如權利要求所規範的本發明範疇。
權利要求
1.一種具有獨立輸出的交換開關，其包含一寫入控制器，其具有一輸入端，用於接收包含數據及一目標辨識的一信號；一存儲器，其具有多個獨立的可寫入/讀取項目，並與該寫入控制器連接，該寫入控制器可將該數據寫入該存儲器內的一個或多個可用項目；以及多個讀取控制器，每一該讀取控制器連接於每一該可寫入/讀取項目，每一該讀取控制器連接至該交換開關的一輸出端，以讀取已寫入該多個項目並指定與該讀取控制器連接的該輸出端的數據，並傳送讀取的該數據給與該輸出端相連接的一目標。
2.如權利要求1所述的交換開關，還包含一輸出狀態機，其連接至該多個讀取控制器之一，用於接收自該存儲器內的一項目所讀取的數據，並將該數據傳送至一目標組件。
3.如權利要求1所述的交換開關，其中每一該讀取控制器還包含一先進先出存儲器，用於自該寫入控制器接收一識別標誌，以指定儲存有該數據的一特定存儲項目，該數據將被讀取及傳送至與該特定讀取控制器連接的一特定輸出端。
4.如權利要求3所述的交換開關，其中該特定讀取控制器產生一讀取致能信號，以讀取該特定存儲項目的內容，而該特定存儲項目是由該先進先出存儲器所接收的該識別標誌所指定。
5.如權利要求1所述的交換開關，還包含可用性指標，其連接至該存儲器的每一項目，當該項目已滿不能接收該數據時，該可用性指標位於一第一狀態；當該項目可自該寫入控制器接收數據時，該可用性指標位於一第二狀態。
6.如權利要求5所述的交換開關，其中當該寫入控制器將該數據寫入一特定項目後，設定該特定項目的該可用性指標成為該第一狀態，當該讀取控制器自該特定項目內讀取該寫入控制器先前寫入的該數據後，設定該特定項目的該可用性指標成為該第二狀態。
7.如權利要求5所述的交換開關，其中該寫入控制器以一預定順序判斷該一個或多個存儲項目的該可用性指標，直到識別出一存儲項目的該可用性指標位於該第二狀態。
8.如權利要求5所述的交換開關，還包含一信號路徑，其連接至該寫入控制器及一個或多個來源組件，以傳送包含該數據及該目標辨識的該信號給該寫入控制器，當該多個項目的該可用性指標均位於該第一狀態時，該信號路徑從該寫入控制器回傳一信號至該一個或多個來源組件。
9.一種信號傳輸方法，其應用於一圖形處理單元內的一交換開關，將該交換開關自一輸入端接收的信號傳送至多個輸出端，該方法包含下列步驟搜尋該交換開關內的多個存儲項目內的次一可用存儲項目，以儲存包含數據及一目標辨識的該信號；將該數據寫入該次一可用存儲項目內；傳送該次一可用存儲項目的識別信息至該多個讀取控制器內的一特定讀取控制器，該特定讀取控制器連接至對應於該目標辨識的一輸出端；自該特定讀取控制器的該存儲器內讀取該識別信息；自該識別信息指定的該次一可用存儲項目內讀取該數據；以及根據該目標辨識將該數據傳送至該交換開關的該輸出端。
10.如權利要求9所述的方法，其中該特定讀取控制器的該存儲器有數個位置，其數量等於該多個存儲項目的數量，該特定讀取控制器的該存儲器為一先進先出存儲器。
11.如權利要求9所述的方法，還包含步驟以一預定順序循環搜尋該多個存儲項目，以找出該次一可用存儲項目，在全部存儲項目的可用性均搜尋過一次後，才會第二次判斷該每一存儲項目的可用性。
12.如權利要求9所述的方法，其中該次一可用存儲項目具有一可用性指針，指示該存儲項目是否可用於接收該數據。
13.如權利要求9所述的方法，還包含步驟產生一讀取致能信號，以讀取該特定存儲項目的內容，而該特定存儲項目是由儲存於該特定讀取控制器內的該識別信息所指定。
14.如權利要求13所述的方法，其中於同一時間產生的該讀取致能信號的數量可等於該多個讀取控制器的數量，用以讀取該多個存儲項目的內容。
15.如權利要求9所述的方法，還包含步驟如果在判斷該多個存儲項目的可用性狀態時，得知該多個存儲項目內無次一可用存儲項目，則產生一存儲項目填滿信號。
全文摘要
一圖形處理單元內的存儲交換單元具有一輸出獨立的交換開關，該交換開關包含一寫入控制器，其具有一輸入端，可接收包含數據及目標ID的信號，該交換開關還包括一存儲器，其具有與該寫入控制器連接的多個獨立項目，寫入控制器可搜尋一可用存儲項目來儲存該數據，一旦確認一可用存儲項目，便將該數據寫入；一讀取組件包含多個讀取控制器，其連接至每一存儲項目，每一個讀取控制器對應一特定輸出端，當接收到指示得知對應其輸出端的數據儲存在某一存儲項目內，便可自該存儲項目讀取數據，經由該目標輸出端將讀出的數據傳送至目標，該存儲項目的可用性狀態則恢復成可用狀態，以接收其它數據。
文檔編號G06F12/08GK101025822SQ20071008636
公開日2007年8月29日 申請日期2007年3月15日 優先權日2006年6月5日
發明者何欣元 申請人:威盛電子股份有限公司