支持多種數據類型的單指令多數據算術單元的製作方法
2023-05-23 03:03:36 1
專利名稱：支持多種數據類型的單指令多數據算術單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及多媒體運算部件，尤其是一種算術單元。
背景技術：
多媒體應用通常指針對多媒體對象如文本、音頻、靜態圖像、二維圖形、三維圖形、動畫以及全動態視頻等的捕捉、存儲、變換、傳輸、編解碼等操作。多媒體信號，其最大特點反應在於小的數據位寬，大的數據吞吐量。單指令多數據(SMD)技術是指通過一個控制器同時控制兩個或者多個平行的處理微元來實現多數據流運算，其並行性體現在能夠利用一條指令實現對多個位寬較小的數據單元並行完成同一種操作，從而在時間上實現並行運算。現有的一個40位算術運算單元大多只能一次實現一個32位的運算或者I個16位的運算或者I個8位的運算，這樣雖然實現簡單，但是對多媒體應用的低數據位寬，大數據吞吐量特徵沒有很好的處理效率，通常認為採用SMD技術可以極大地提高相應多媒體處理應用程式的並行度，提高運算單元的多媒體處理性能，所以需要設計一種單指令多數據算術運算單元。由於視頻、音頻、圖像的數據寬度不一樣，而且隨著多媒體技術的發展，可以預計在將來會有更多種的數據寬度需要支持，而當前的SIMD運算單元大多只支持一種數據寬度，或者8位，或者16位，對於多媒體應用的加速不具有普遍性，所以需要設計一種操作數長度可變的SIMD算術單元。
發明內容
為了克服已有算術單元的不能支持多種數據寬度、適用性較差的不足，本發明提供一種能有效支持多種數據寬度、適用性良好的支持多種數據類型的單指令多數據算術單
J Li ο本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，所述算術單元包括N個原子運算陣列，N為任意正整數，每個原子運算陣列使用一個加法器實現多種位寬的數據的算術運算，所述原子運算陣列包括:操作數準備單元，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對輸入的源操作數進行取反、符號位擴展、位寬擴展與進位擴展操作，輸出中間操作數；加法運算單元，用於接收來自操作數準備單元的中間操作數，完成加法運算，輸出加法運算結果；捨入操作單元，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對加法運算結果進行捨入操作，輸出捨入操作結果；飽和操作單元，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對加法運算結果進行飽和操作，輸出飽和操作結果；
結果封裝單元，用於依據操作類型與數據類型信息，選擇捨入操作單元或者飽和操作單元的輸出結果，並依據數據類型信息，將中間結果封裝為最終數據。進一步，所述算術單元支持有符號數與無符號數運算，支持不同元素寬度的運算，所述元素寬度包括字、半字或字節。優選的，所述操作數準備單元中，取反操作以元素為單位，依據操作類型對源操作數進行取反操作；若為加法運算，保持第一操作數與第二操作數不變；若為減法運算，保持第一操作數不變，對第二源操作數取反；若為絕對值運算則依據數據的符號位對負操作數取反，對正操作數保持不變。再進一步，所述操作數準備單元中，符號位擴展操作對第一源操作數和第二源操作數以元素為單位進行符號位擴展；對於有符號數，在每個元素的最高位擴展一位符號位，對於無符號數，在每個元素的最高位補一位O。更進一步，所述操作數準備單元中，位寬擴展操作依據操作類型與數據類型信息以元素為單位對第一源操作數或者第二源操作數擴展一倍位寬。所述操作數準備單元中，在第一操作數與第二操作數每個元素的最低位擴展一位進位擴展位，對於減法操作，進位擴展操作在第一源操作數和第二源操作數的每元素最低位擴展為1，與取反操作數準備一起構成對減數的取補碼操作；對於加法運算，進位擴展操作在第一源操作數和第二源操作數的每元素最低位擴展為O。所述加法運算單元僅包含一個加法器，根據操作數的類型，對加法操作數的每個元素都增加一位精度擴展位，記錄加法操作數的首位進位運算結果，得到一個擴展中間數據，從而隔離數據的進位，並在運算最後捨去進位擴展位，獲得一個加法運算結果。所述捨入操作單元僅包含I個減法器，實現不同位寬的數據的捨入操作。所述飽和操作單元中，依據數據類型信息，以元素為單位利用加法運算單元結果和符號位擴展運算結果對加法運算結果進行飽和運算，表現為如果上溢出，取最大值，下溢出，取最小值，其它情況運算結果保持不變。所述結果封裝單元中，根據指令類型信息，選取捨入操作單元或者飽和操作單元的結果，並依據數據類型信息，封裝成為最終的運算結果。本發明的有益效果主要表現在:能有效支持多種數據寬度、適用性良好。
圖1是單指令多數據(SMD)算術單元結構框圖。圖2是原子運算單元結構框圖。圖3是操作數準備單元結構框圖。圖4是8位操作數擴展示意圖。圖5是16位操作數擴展示意圖。圖6是32位操作數擴展示意圖。圖7是加法操作數準備示意圖。圖8是捨入操作單元流程示意圖。圖9是飽和操作單元流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。參照圖1 圖9，一種支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，所述算術單元包括N個原子運算陣列(11 )，N為任意正整數，每個原子運算陣列使用一個加法器實現多種位寬的數據的算術運算，所述原子運算陣列(11)包括:操作數準備單元(21)，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對輸入的源操作數進行取反、符號位擴展、位寬擴展與進位擴展操作，輸出中間操作數；加法運算單元(22)，用於接收來自操作數準備單元的中間操作數，完成加法運算，輸出加法運算結果；捨入操作單元(23)，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對加法運算結果進行捨入操作，輸出捨入操作結果；飽和操作單元(24)，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對加法運算結果進行飽和操作，輸出飽和操作結果；結果封裝單元(25)，用於依據操作類型與數據類型信息，選擇捨入操作單元或者飽和操作單元的輸出結果，並依據數據類型信息，將中間結果封裝為最終數據。典型地，需要進行算術運算的2個32位操作數首先被送入操作數準備單元，產生相應的40位中間操作數，然後通過加法運算單元完成結果運算，再根據指令的類型選擇捨入操作單元和飽和操作單元進行相應的操作，生成40位運算結果，最後將40位運算結果通過結果封裝單元封裝成最終結果。所述算術單元支持有符號數與無符號數運算，支持不同元素寬度的運算，支持的典型元素寬度為字、半字、字節。所述操作數準備單元(21)中，取反操作以元素為單位，依據操作類型對源操作數進行取反操作。若為加法運算，保持第一操作數與第二操作數不變；若為減法運算，保持第一操作數不變，對第二源操作數取反；若為絕對值運算則依據數據的符號位對負操作數取反，對正操作數保持不變。所述操作數準備單元(21)中，符號位擴展操作對第一源操作數和第二源操作數以元素為單位進行符號位擴展。對於有符號數，在每個元素的最高位擴展一位符號位，對於無符號數，在每個元素的最高位補一位O。所述操作數準備單元(21)中，位寬擴展操作依據操作類型與數據類型信息以元素為單位對第一源操作數或者第二源操作數擴展一倍位寬。所述操作數準備單元(21)中，在第一操作數與第二操作數每個元素的最低位擴展一位進位擴展位，對於減法操作，進位擴展操作在第一源操作數和第二源操作數的每元素最低位擴展為1，與取反操作數準備一起構成對減數的取補碼操作；對於加法運算，進位擴展操作在第一源操作數和第二源操作數的每元素最低位擴展為O。所述加法運算單元(22)僅包含一個加法器，實現不同位寬長度的數據運算。典型地，通過一個44位加法器，可實現I個32位或者2個16位或者4個8位算術運算操作。其特徵在於其根據操作數的類型，對加法操作數的每個元素都增加一位精度擴展位，記錄加法操作數的首位進位運算結果，得到一個擴展中間數據，所述擴展中間數據為44位的數據，從而隔離數據的進位，並在運算最後捨去進位擴展位，獲得一個40位加法運算結果。
所述捨入操作單元(23)僅包含I個減法器，可實現不同位寬的數據的捨入操作，典型地一個32位加法器，可實現I個32位或者2個16位或者4個8位數據的捨入運算。所述飽和操作單元(24)依據數據類型信息，以元素為單位利用加法運算單元結果和符號位擴展運算結果對加法運算結果進行飽和運算，表現為如果上溢出，取最大值，下溢出，取最小值，其它情況運算結果保持不變。所述結果封裝單元(245)根據指令類型信息，選取捨入操作單元或者飽和操作單元的結果，並依據數據類型信息，封裝成為最終的運算結果。典型地對於40位的運算結果，挑選I個32位或者2個16位或者4個8位運算結果，封裝成最終的32位數據。本實施例中，為了實現對不同長度數據進行並行度高、數據吞吐量大的運算，提供了一種支持多種數據類型的基於原子運算陣列的單指令多數據算術單元。每個原子運算陣列包括五個主要的單元:操作數準備單元(21)、加法運算單元
(22)、捨入操作單元(23)、飽和操作單元(24)、結果封裝單元(25)。每個原子運算陣列之間的運算過程和結果互不幹擾和影響。簡單的複製原子運算陣列就可以實現操作數的寬度擴展，從而對32位、64位、96位……數據進行算術運算，實現更寬的SMD操作。操作數準備單元對數據按32位進行封裝，可以細分為取反操作單元和擴展操作單元。
取反操作單元(31)會根據指令類型以元素為單位將部分通過的數據進行取反操作。對於取絕對值操作，若源操作數為正數，則維持原數值不變。若源操作數為負數，則將源操作數取反。對於減法操作和需要通過減法實現的比較操作，取反操作單元維持第一源操作數不變，將第二源操作數通過取反操作為下一步獲得減數的補碼操作進行準備，通過取反操作的第二源操作數只需在後續操作中進行加一就可以實現補碼的獲得。擴展操作單元通過加入位寬擴展位(32)、符號擴展位(33)和進位擴展位(34)完成指令需求的擴展，並且使得該算術單元可以用一個40位加法器實現4個8位的加法或者2個16位的加法和I個32位的加法。本算術運算單元支持操作數位寬不一的算術運算操作。當操作數其中的元素位寬不一時，需要對較短的操作數進行位寬擴展(32)，使得兩操作數每元素位寬相同，進一步實現後續的運算。對於無符號數，位寬擴展補零(43) (53);對於有符號數，位寬擴展擴展符號位(44) (54)，使得兩操作數位寬相同。為了保持數據精度，防止進位信息丟失，我們對操作數進行符號位擴展(33):當操作數為無符號數時，我們對操作數在其每個元素的最高位前擴展一位零(41) (51) (61)，當操作數為有符號數時，我們對操作數在其每個元素的最高位前擴展一位符號位(42) (52)(62)。為了防止相鄰操作數之間的進位影響，我們還設計了進位擴展位(34):在操作數的每個元素最後加入一位。對於加法運算，我們統一擴展O (45) (55) (63);對於減法運算，我們統一擴展I (46) (56) (64)，這樣當被減數和減數最後通過加法器時，擴展位將對操作數產生I的進位，實現對減數進行加一操作，從而與前面提到的取反操作單元一起實現了對減數實現了取補碼操作。4個8位操作數經過擴展後的結果如附圖3所示，2個16位操作數經過擴展後的結果如附圖4所示，I個32位操作數經過擴展後的結果如附圖5所示。
加法運算單元主要包括一個44位加法器，完成操作數的加法運算。加法器從操作數準備單元獲得操作數，對兩操作數進行加法運算。為了保持精確度，我們對加法操作數的每個元素都增加一位精度擴展位零，記錄加法操作數的首位進位運算結果，即加法器將生成一個44位的中間結果。對於4個8位加法運算，精度擴展位增加在操作數的第10位、第21位、第32位和第43位(71);對於2個16位加法運算，精度擴展位增加在操作數的第20位、第21位、第42位和第43位(72);對於I個32位加法運算，精度擴展位增加在操作數的第40位、第41位、第42位和第43位(73)。由於進位擴展位在加法運算結束後已經失去作用，可以捨去，所以每個加法運算單元也最終將得到一個40位的運算結果。由於精度擴展位、符號擴展位的存在，4個8位加法的運算結果保存為4個10位中間運算結果；2個16位加法的運算結果保存為2個20位中間運算結果；1個32位加法的運算結果保存為I個40位中間運算結果。這樣加法器可以進行4個8位加法、2個16位加法、I個32位加法而不互相影響運算結果，並且可以保留運算的精確結果。加法運算單元除了加法器外還有截位結果處理單元和比較結果處理單元單元。對於需要取高半部分或者低半部分的操作，截位結果運算單元按照指令需求對運算結果進行截位運算。對於比較指令，比較結果單元根據加法運算單元每個元素運算結果的正負對指定寄存器進行置零或者置一操作。為了更好地支持小數運算，本運算單元還支持對運算結果取高半部分的操作。對於取高部分操作和取平均數操作，都存在一種出現小數部分的可能，於是需要一個對操作數捨入的過程。捨入操作單元主要按照指令需求，使用一個自增器對操作數進行捨入操作。對於取高半部分操作(82)，捨入操作單元按照操作元素的位寬(16位或者32位)取出運算結果的高半部分(8位和16位)和各自的捨入位(對於16位運算，第7位為該數據的捨入位；對於32位運算，第15位為該數據的捨入位)合併，將這個數自增1，然後捨去最後一位作為最終的運算結果。對於取平均數運算(83)，兩操作數經過加法器後得到兩數的和，捨入操作單元按照操作元素的位寬(8位或者16位或者32位)取出運算結果的數據部分和各自的捨入位合併將這個數自增1，然後捨去最後一位作為最終的運算結果。對於8位運算，運算結果的第I位到第8位、第11位到第18位、第21位到第28位、第31位到第38位是數據部分，其對應的捨入位分別為第O位、第10位、第20位、第30位。對於16位運算，運算結果的第I位到第16位、第21位到第36位是數據部分，其對應的捨入位分別為第O位、第20位。對於32位運算，運算結果的第I位到第32位是數據部分，其對應的捨入位為第O位。捨入單元除了要實現捨入操作外，還需要實現取絕對值操作。對於取絕對值指令
(81)，正操作數則維持原值不變，對於負操作數通過對操作數的取反加一來實現。為了節省算術單元的面積和資源，該操作也通過捨入單元來實現。以元素為單位，若操作數為正數，則將操作數準備為數據部分，將捨入部分準備為O ;若操作數為正數,則將操作數的取反結果準備為數據部分，將捨入部分準備為I ;捨入操作單元按照操作微單元的長度(8位或者16位或者32位)取出準備後的數據部分和各自的捨入位合併將這個數自增1，然後捨去最後一位作為最終的運算結果。從而實現取絕對值操作。因為負數的表示範圍大於正數，所以對於負數的最大值維持原值不變。
飽和操作單元通過加法運算單元獲得的結果，按照指令需求對運算結果進行飽和操作。因為指令操作數的不同，飽和操作單元主要進行正數飽和運算、負數飽和運算以及無符號數飽和運算。飽和操作單元通過數據的符號擴展位和精度擴展位以及指令類型共同決定該運算是否需要進行飽和操作。以元素為單位，若一條非截位指令指令需要飽和操作，且操作數為無符號數，則只要符號擴展位和精度擴展位有一位為I就需要對運算結果進行飽和操作，飽和操作取無符號數的最大值。以元素為單位，若一條非截位指令需要飽和操作，且操作數為正數，則只要符號擴展位和精度擴展位有一位為I就需要對運算結果進行飽和操作，飽和操作取正數的最大值。以元素為單位，若一條非截位指令需要飽和操作，且操作數為負數，則只要符號擴展位和精度擴展位有一位為O就需要對運算結果進行飽和操作，飽和操作取負數的最小值。對於截取低位指令，以元素為單位，當判斷該操作是否飽和時，不僅需要關心符號擴展位和精度擴展位，也需要關心被截去的數據；當操作數為無符號數或者有符號正數，則只要被截去數據、符號擴展位和精度擴展位有一位為I就需要對運算結果進行飽和操作；當操作數為負數，則只要被截去數據、符號擴展位和精度擴展位有一位為O就需要對運算結果進行飽和操作，飽和操作與非截位指令的飽和操作相同。結果封裝單元根據指令類型，分別從捨入操作單元和飽和操作單元獲得數據。絕對值運算、平均數運算、截位運算從捨入操作單元獲得數據；加法(飽和)運算、減法(飽和)運算、比較運算、大小值選擇運算從飽和操作單元獲得數據。捨入操作單元和飽和操作單元傳遞給結果封裝單元的數據為40位數據。當數據位寬為8位時，選取數據的第30位到第37位、第20位到第27位、第10位到第17位、第O位到第7位封裝成為一個32位數據；當數據位寬為16位時,選取數據的第20位到第35位、第O位到第15位封裝成為一個32位數據；當數據位寬為32位時，選取數據的第O位到第31位封裝成為一個32位數據。這個32位結果就是運算的最終結果。
權利要求
1.一種支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述算術單元包括N個原子運算陣列，N為任意正整數，每個原子運算陣列使用一個加法器實現多種位寬的數據的算術運算，所述原子運算陣列包括: 操作數準備單元，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對輸入的源操作數進行取反、符號位擴展、位寬擴展與進位擴展操作，輸出中間操作數； 加法運算單元，用於接收來自操作數準備單元的中間操作數，完成加法運算，輸出加法運算結果； 捨入操作單元，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對加法運算結果進行捨入操作，輸出捨入操作結果； 飽和操作單元，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對加法運算結果進行飽和操作，輸出飽和操作結果； 結果封裝單元，用於依據操作類型與數據類型信息，選擇捨入操作單元或者飽和操作單元的輸出結果，並依據數據類型信息，將中間結果封裝為最終數據。
2.按權利要求1所述的支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述算術單元支持有符號數與無符號數運算，支持不同元素寬度的運算，所述元素寬度包括字、半字或字節。
3.按權利要求1或2所述的支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述操作數準備單元中，取反 操作以元素為單位，依據操作類型對源操作數進行取反操作；若為加法運算，保持第一操作數與第二操作數不變；若為減法運算，保持第一操作數不變，對第二源操作數取反；若為絕對值運算則依據數據的符號位對負操作數取反，對正操作數保持不變。
4.按權利要求1或2所述的支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述操作數準備單元中，符號位擴展操作對第一源操作數和第二源操作數以元素為單位進行符號位擴展；對於有符號數，在每個元素的最高位擴展一位符號位，對於無符號數，在每個元素的最高位補一位O。
5.按權利要求1或2所述的支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述操作數準備單元中，位寬擴展操作依據操作類型與數據類型信息以元素為單位對第一源操作數或者第二源操作數擴展一倍位寬。
6.按權利要求1或2所述的支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述操作數準備單元中，在第一操作數與第二操作數每個元素的最低位擴展一位進位擴展位，對於減法操作，進位擴展操作在第一源操作數和第二源操作數的每元素最低位擴展為1，與取反操作數準備一起構成對減數的取補碼操作；對於加法運算，進位擴展操作在第一源操作數和第二源操作數的每元素最低位擴展為O。
7.按權利要求1或2所述的支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述加法運算單元僅包含一個加法器，根據操作數的類型，對加法操作數的每個元素都增加一位精度擴展位，記錄加法操作數的首位進位運算結果，得到一個擴展中間數據，從而隔離數據的進位，並在運算最後捨去進位擴展位，獲得一個加法運算結果。
8.按權利要求1或2所述的支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述捨入操作單元僅包含I個減法器，實現不同位寬的數據的捨入操作。
9.按權利要求1或2所述的支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述飽和操作單元中，依據數據類型信息，以元素為單位利用加法運算單元結果和符號位擴展運算結果對加法運算結果進行飽和運算，表現為如果上溢出，取最大值，下溢出，取最小值，其它情況運算結果保持不變。
10.按權利要求1或2所述的支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，其特徵在於:所述結果封裝單元中，根據指令類型信息，選取捨入操作單元或者飽和操作單元的結果，並依據數據類型信息 ，封裝成為最終的運算結果。
全文摘要
一種支持多種數據類型的單指令多數據算術單元，包括N個原子運算陣列，原子運算陣列包括操作數準備單元，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對輸入的源操作數進行操作，輸出中間操作數；加法運算單元，用於接收中間操作數，完成加法運算，輸出加法運算結果；捨入操作單元，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對加法運算結果進行捨入操作，輸出捨入操作結果；飽和操作單元，用於依據輸入的操作類型與數據類型信息，對加法運算結果進行飽和操作，輸出飽和操作結果；結果封裝單元，用於選擇捨入操作單元或者飽和操作單元的輸出結果，依據數據類型信息將中間結果封裝為最終數據。本發明能有效支持多種數據寬度、適用性良好。
文檔編號G06F9/38GK103092571SQ201310009888
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月10日 優先權日2013年1月10日
發明者嚴曉浪, 仇徑, 孟建熠, 陳志堅 申請人:浙江大學