專利名稱：基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明主要涉及采用單指令流多數(shù)據(jù)流(Single Instruction stream Multiple Data streams, SIMD)技術(shù)的通用處理器或數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)領域，特指一種應用于SIMD或DSP中的混洗開關矩陣壓縮方法。
背景技術(shù)：
以子字并行和向量技術(shù)為代表的SIMD技術(shù)在解決媒體處理和無線通信等數(shù)據(jù)運 算密集型應用中具有很大的優(yōu)勢，因而得到了廣泛的應用和發(fā)展，受到了處理器特別是DSP 的青睞?；煜磫卧饕撠烻IMD部件各個處理單元寄存器之間數(shù)據(jù)的交互，是制約并行的 處理單元性能發(fā)揮的關鍵部件?；煜磫卧挠布黧w結(jié)構(gòu)一般有以下三種方式，分別為交叉開關(Crossbar)、多 級網(wǎng)絡和完全混洗-交換網(wǎng)絡。這三種結(jié)構(gòu)當中Crossbar的靈活性最強，多級網(wǎng)絡次之， 完全混洗-交換網(wǎng)絡最差；完全混洗-交換網(wǎng)絡的硬件實現(xiàn)開銷最小且擴展性也比較好，多 級網(wǎng)絡次之，Crossbar最差。由于嵌入式應用需要的混洗模式的多樣性，Crossbar的使用 最為廣泛，本發(fā)明所論述的方法也以混洗單元的硬件結(jié)構(gòu)為Crossbar為背景。在以Crossbar為主要硬件結(jié)構(gòu)的混洗單元中，混洗模式是和控制控制Crossbar 中每個開關節(jié)點斷開或?qū)ǖ?1值組成的矩陣是一一對應的。將控制Crossbar中每個開 關節(jié)點斷開或?qū)ǖ?1值組成的矩陣稱之為開關矩陣，用戶在執(zhí)行混洗指令時(或之前)必 須直接或間接告訴Crossbar本次混洗所需要的開關矩陣。由于開關矩陣本身的數(shù)據(jù)量比 較大，需要對其進行壓縮，一方面，這種壓縮是非常必要的，開關矩陣的數(shù)據(jù)量和SIMD數(shù)據(jù) 通路的寬度的平方成正比，隨著SIMD數(shù)據(jù)通路的寬度的增加，開關矩陣的數(shù)據(jù)量會急劇膨 脹；另一方面，必須要考慮到解壓時電路的復雜性，宜采用比較簡單的壓縮_解壓技術(shù)，以 便在關鍵路徑延時和壓縮效率方面進行折衷。一個應用程序所需要的所有混洗模式在程序執(zhí)行之前都是確定的，在程序的預處 理階段需要對混洗請求做一些額外的工作，以便在執(zhí)行某一條混洗指令時能夠訪問到正確 的混洗模式，一般采用混洗模式表記錄應用程序所需要的混洗模式，同時對每個混洗請求 標識其混洗模式在混洗模式表的表項地址。在應用程序執(zhí)行前，需要提前將混洗模式表中 的數(shù)據(jù)加載到存儲器中，以便供混洗指令使用。傳統(tǒng)的混洗單元和混洗指令中，一般采用最小數(shù)據(jù)粒度索引法來進行壓縮。圖1 是采用最小數(shù)據(jù)粒度索引法的開關矩陣壓縮流程示意圖首先對當前混洗請求的數(shù)據(jù)粒度 設置為Crossbar支持的最小數(shù)據(jù)粒度，然后按照當前粒度索引法(圖4所描述的方法)對當 前請求的開關矩陣進行壓縮，接著判斷壓縮后的混洗模式是否與混洗模式表中保存的某一 個混洗模式完全相同，如果相同則在當前的混洗指令當中增加地址信息(該地址指向混洗 模式表中與當前混洗模式相同的表項的地址)；如果不同，則在混洗模式表中將當前混洗模 式添加進去，并在當前的混洗指令中增加指向當前表項的地址。循環(huán)處理，直到所有的混洗 請求都處理完畢。
以摩托羅拉公司為設計主體的AltiVec指令集為例，在AltiVec指令集中，向量的 寬度為128 bits (16個字節(jié))，且混洗的最小數(shù)據(jù)粒度為8 bits，AltiVec指令集中的混 洗指令VPERM使用了一個向量寄存器(128bit)表示混洗模式，該向量寄存器共分為16個 域(每一個8 bits)，分別指示目標向量寄存器的每一個字節(jié)分別來自源向量寄存器中的哪 一個字節(jié)(即每一個域表示了開關矩陣中的一行)，類似的還有飛利浦公司的EVP處理器的 SHF指令。這種最小數(shù)據(jù)粒度索引法的開關矩陣壓縮方法在目前的向量處理器中使用比較 廣泛，但這種方法并未考慮一個應用程序中不同混洗請求之間的模式偏移關系，對于混洗 模式存在偏移關系的混洗請求的混洗模式是分別存儲的，造成了整個應用程序的混洗指令 的開關矩陣的壓縮率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一 種原理簡單、操作簡便、適用范圍廣、能夠增大相同容量的混洗模式存儲器中包含的有效混 洗模式的數(shù)、提高程序中混洗請求開關矩陣的壓縮效率的基于模式偏移的混洗開關矩陣壓 縮方法，同時其解壓邏輯增加的邏輯量不大，對現(xiàn)有關鍵路徑延時影響較小。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法，其特征在于步驟為 步驟1 預設SF_Table為存儲混洗模式的表；對當前混洗請求的數(shù)據(jù)粒度設置為交叉 開關支持的最小數(shù)據(jù)粒度，按照當前粒度索引法進行壓縮；
步驟2 判斷當前混洗請求壓縮后的混洗模式與混洗模式表中的某一個表項是否存在 模式偏移關系，如果是，跳轉(zhuǎn)至步驟3，否則跳轉(zhuǎn)至步驟4 ；
步驟3 保持混洗模式表不變，在當前混洗指令中增加對應的混洗模式地址信息和相 對偏移信息，然后處理下一個混洗請求；
步驟4:將當前混洗模式添加到混洗模式表中，在當前混洗指令中增加對應的混洗模 式地址信息和相對偏移信息，然后處理下一個混洗請求。作為本發(fā)明的進一步改進 所述步驟1的詳細流程為
設最終的混洗模式為SF，則SF共有N個域，每個域的位數(shù)l+log2N，用SF_i [j]表示混 洗模式第i域的第j位，其中0彡i彡N-1,0彡j彡Iog2N,對于每個混洗請求的開關矩陣 的壓縮過程如下
1.1.設置變量i=0;
1. 2.查看開關矩陣的第 i 行，若Xi,。=Xi; PH=XiI2=XiH=O,則 SF_i [lo&N]=l，并且 SF_ i [Iog2N-1:0]=0 ；否則 SF_i [Iog2N] =0，設置 j=0 并且轉(zhuǎn)至步驟 1. 3 ；
1. 3.如果Xi;j=l，則設置SF_i[lo&N-l:0]=j，并轉(zhuǎn)至步驟1. 5，否則轉(zhuǎn)至步驟1. 4 ； 1.4. j=j+l，并轉(zhuǎn)至步驟1.3;
1. 5. i=i+l，若i彡N-1，則跳至步驟1. 2，否則壓縮完畢，得到的SF_0，SF_1,…，SF_N_1 即為壓縮后的混洗模式。所述步驟2的詳細流程為
42. 1.讀取SF_Table中的第一個表項，并賦值給變量SF_temp，并且設置變量q=l ； 2. 2.將SF_temp按照l+log2N的粒度循環(huán)左移q位，并將移位后的值記為SF_temp’， 如果SF_temp，=SF，則轉(zhuǎn)至步驟3 ；否則，轉(zhuǎn)至2. 3 ；
2. 3 · q=q+l，如果q=N,則跳至步驟2. 4 ；否則跳至步驟2. 2 ；
2. 4.如果當前表項不是SF_Table中的最后一個表項，則讀取SF_Table中的下一個表 項，記為SF_temp，設置q=l，并跳至步驟2. 2 ；否則跳至步驟4。所述步驟3中，是在混洗指令增加對應的混洗模式地址Addr和相對偏移Q，其中， Addr指向當前所讀取的SF_Table中的表項，Q=q，然后處理下一個混洗請求，并轉(zhuǎn)至步驟1。所述步驟4中，是將當前混洗請求的混洗模式添加到SF_Table中，并在混洗指令 增加對應的混洗模式地址Addr和相對偏移Q，其中Addr指向新增加的表項在SF_Table中 的位置，Q=0，然后處理下一個混洗請求，并轉(zhuǎn)至步驟1。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
1.本發(fā)明的混洗開關矩陣壓縮方法，能夠有效地提高混洗模式存儲器的利用率，使存 儲混洗模式的存儲器得到充分的利用；
2.應用本發(fā)明后，同一個應用程序的需要的混洗模式的數(shù)量減少，使得加載混洗模式 的數(shù)據(jù)量變小，減少了功耗；
3.解壓電路簡單，對關鍵路徑延時影響較小。應用本發(fā)明提出方法，解壓電路只需在 傳統(tǒng)方法的譯碼電路基礎上增加小規(guī)模的移位邏輯，硬件復雜度不大。4、綜上所述，本發(fā)明提出的方法能夠有效地壓縮開關矩陣的容量，提高混洗模式 存儲器的利用率，并且對現(xiàn)有解壓電路的影響不大，為向量處理器混洗指令和混洗單元的 接口設計提供了新的思路。


圖1是采用最小數(shù)據(jù)粒度索引法的壓縮流程示意圖2是本發(fā)明提出的基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法的流程示意圖； 圖3是本發(fā)明的第二步判斷當前混洗請求的壓縮后的混洗模式SF與SF_Table的某一 個表項是否存在模式偏移關系的算法流程示意圖4是傳統(tǒng)的最小數(shù)據(jù)粒度索引法和本發(fā)明提出的基于模式偏移的混洗開關矩陣壓 縮方法中共有的子算法——當前粒度索引法的流程示意圖5是存在模式偏移關系的多個混洗請求采用最小數(shù)據(jù)粒度索引法的開關矩陣壓縮 過程示意圖6是存在模式偏移關系的多個混洗請求采用采用本發(fā)明提出的方法的開關矩陣壓 縮過程示意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖2所示，為本發(fā)明基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法的流程示意圖。本 發(fā)明提出的方法和傳統(tǒng)的方法最大的不同就是，將當前混洗請求的開關矩陣壓縮后的混洗 模式添加到混洗模式表時，判斷當前混洗模式與混洗模式表中表項是否存在模式偏移關系，而傳統(tǒng)的方法是不做上述判斷的。本發(fā)明在程序的預處理階段，設置一個混洗模式表，對于每個混洗請求首先按照 最小數(shù)據(jù)粒度索引法進行壓縮，然后將壓縮后的混洗模式和混洗模式表中已有的混洗模式 進行模式偏移匹配，如果能夠匹配，則不增加混洗模式表的表項，而僅僅更改當前混洗指令 的表達方式，如果不能夠匹配，則在混洗模式表中增加一條新的表項并更新當前混洗指令 的表達方式。假設處理器的數(shù)據(jù)通路總寬度為W bits，最小數(shù)據(jù)粒度為G bits, Crossbar的規(guī) 模的為N*N，且每個端口的寬度為G bits (這里的W和G均為2的整數(shù)次冪，且N=W/G)，則 每一個混洗請求的混洗模式在初始時為一個N*N的開關矩陣，設初始時的開關矩陣為X，且 其中每一個元素的數(shù)值為Ul ( i ( N-1, 1彡j彡N-1)，設SFjable為存儲混洗模式 的表。本發(fā)明具體的流程如下
步驟1 對當前混洗請求的數(shù)據(jù)粒度設置為Crossbar支持的最小數(shù)據(jù)粒度，按照當前 粒度索引法進行壓縮；
步驟2 判斷當前混洗請求壓縮后的混洗模式與混洗模式表中的某一個表項是否存在 模式偏移關系，如果是，跳轉(zhuǎn)至步驟3，否則跳轉(zhuǎn)至步驟4 ；
步驟3 保持混洗模式表不變，在當前混洗指令中增加對應的混洗模式地址信息和相 對偏移信息，然后處理下一個混洗請求；
步驟4:將當前混洗模式添加到混洗模式表中，在當前混洗指令中增加對應的混洗模 式地址信息和相對偏移信息，然后處理下一個混洗請求。圖3是本發(fā)明的步驟2判斷當前混洗請求的壓縮后的混洗模式SF與SF_Table的 某一個表項是否存在模式偏移關系的算法流程示意圖
2. 1讀取混洗模式表SF_Table的第一個表項，并賦值給變量SF_temp，同時將變量q設 置為1 ；
2. 2將SF_temp按照1+ Iog2N的粒度循環(huán)左移q位，并將得到數(shù)值記為SF_temp’，比 較SF和SF_temp’的數(shù)值，如果相等，則說明當前混洗請求和SF_Table中的當前表項存在 模式偏移關系，偏移量為q，跳轉(zhuǎn)至圖2所描述的步驟3 ；否則，跳至2. 3 ；
2. 3將q自增1，判斷q是否等于N，如果不相等，則跳至2. 2 ；否則，轉(zhuǎn)至2. 4 ； 2. 4判斷當前表項是否是SF_Table中的最后一個表項，是則跳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)至圖2所描述的步 驟4 ；否則，讀取SF_Table中的下一個表項，并賦值給SF_temp，將q設置為1，跳轉(zhuǎn)至2. 2.
圖4是傳統(tǒng)的最小數(shù)據(jù)粒度索引法和本發(fā)明提出的基于模式偏移的混洗開關矩陣壓 縮方法中共有的子算法——當前粒度索引法的流程示意圖 1. 1將變量i設置為O ；
1. 2判斷當前數(shù)據(jù)粒度的開關矩陣的第i行的元素是否全部為0，如果是則將最終混 洗模式SF的第i域的最高位SF_i[log2n]賦值為1，其余位置SF_i [log2n-l 0]賦值為0， 并且跳轉(zhuǎn)至1. 4，否則將SF_i [log2n]賦值為0，設置變量j為0，并且跳轉(zhuǎn)至1. 3 ；
1. 3判斷當前數(shù)據(jù)粒度的開關矩陣的第i行第j列的元素是否為1，若是則將SF_ i[log2n-l:0]賦值為j，并跳轉(zhuǎn)至1. 4，否則將j自增1，并轉(zhuǎn)至1. 3 ；
1.4將i自增1;并判斷i是否小于當前數(shù)據(jù)粒度的開關矩陣的規(guī)模n，若是，則跳轉(zhuǎn)至1. 2，繼續(xù)壓縮開關矩陣的下一行元素，否則壓縮完畢，得到的SF_0，SF_1,…，SF_n-l即為 最終的混洗模式。從上面的流程可以看出，本發(fā)明提出的方法是對傳統(tǒng)的基于最小粒度的索引方法 的改進，在本發(fā)明中需要判斷當前混洗請求的混洗模式和混洗模式表中的表項是否存在模 式偏移關系，而傳統(tǒng)的方法只用判斷當前混洗請求的混洗模式和混洗模式表中的表項是否 相等。針對本發(fā)明的基于模式偏移的開關矩陣壓縮方法，本發(fā)明提出了如下混洗指令 SHUF (Addr)，Q, VRi, VRj.其中Addr標識對應的混洗模式在存儲器中的地址(在具體實 現(xiàn)時，也可以不設置Addr，這時默認對應的混洗模式存在某個寄存器中，程序員需要提前將 混洗模式搬移到這個寄存器中)；Q標識當前的請求混洗模式與Addr標識的(或默認的)混 洗模式之間的偏移關系，即將Addr標識的(或默認的)混洗模式左移Q位才能得到當前的混 洗模式；VRi和VRj分別標識混洗操作的源操作數(shù)所在寄存器編號和目的操作數(shù)所在的寄 存器編號。本發(fā)明提出的方法在混洗指令在執(zhí)行時，只需要先將混洗模式進行規(guī)模較小移位 處理，然后再進行傳統(tǒng)方法所需的譯碼處理即可驅(qū)動Crossbar對輸入數(shù)據(jù)進行重排布，因 而對關鍵路徑延時影響很小。如圖5所示，為存在模式偏移關系的多個混洗請求采用最小數(shù)據(jù)粒度索引法的 開關矩陣壓縮過程示意圖圖中Ai和Bi7)均為Sbits的數(shù)據(jù)， Crossbar網(wǎng)絡的規(guī)模為8*8，且每個端口的寬度為8bits，假設當前混洗模式表共有兩個表 項，即表項0和表項1.
M 洗 a Mf A0A1A2A3A4A5A6A7 M 洗為 A3A2A5A4AtlA1A7A6, M 洗 b Mf B0B1B2B3B4B5B6B7 M 洗為 B5B4B0B1B7B6B3B2.兩者的開關矩陣按照圖4所描述的方法進行壓縮得到
0011_0010_0101_0100_0000_0001_0111_0110 和 0101_0100_0000_0001_0111_0110_0 011_0010
在傳統(tǒng)的方法中由于混洗a的混洗模式和混洗模式表中的第0表項和第1表項不相 同，所以將混洗a的混洗模式加入混洗模式表中，作為表項2，并將混洗a的指令的地址信息 標記為2 (圖中虛折線所示)；同理，由于混洗b的混洗模式和混洗模式表中的第0表項、第 1表項、第2表項均不相同，所以將混洗b的混洗模式加入混洗模式表中，作為表項3，并將 混洗b的指令的地址信息標記為3 (圖中實折線所示)。如圖6所示，為存在模式偏移關系的多個混洗請求采用本發(fā)明提出的方法的開關 矩陣壓縮過程示意圖圖中的示例和圖5中的示例完全相同，不同的是，在混洗a的混洗模 式加入混洗模式表之后，處理混洗b的混洗請求時，發(fā)現(xiàn)其混洗模式與混洗模式表的第2表 項，存在模式偏移關系，且偏移量為2，這時就不需要將混洗b的混洗模式加入到混洗模式 表中，只需要將混洗b的混洗指令的地址信息設置為2，偏移信息設置為2即可。圖中的實 折線指示混洗a的處理過程，虛折線指示混洗b的處理過程，橢圓線標識的為混洗指令的偏 移信息域。由于本發(fā)明考慮了混洗模式之間的模式偏移，本示例中節(jié)省了一個混洗模式表 項。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例， 凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術(shù)領域的
7普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護 范圍。
權(quán)利要求
一種基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法，其特征在于步驟為步驟1預設SF_Table為存儲混洗模式的表；對當前混洗請求的數(shù)據(jù)粒度設置為交叉開關支持的最小數(shù)據(jù)粒度，按照當前粒度索引法進行壓縮；步驟2判斷當前混洗請求壓縮后的混洗模式與混洗模式表中的某一個表項是否存在模式偏移關系，如果是，跳轉(zhuǎn)至步驟3，否則跳轉(zhuǎn)至步驟4；步驟3保持混洗模式表不變，在當前混洗指令中增加對應的混洗模式地址信息和相對偏移信息，然后處理下一個混洗請求；步驟4將當前混洗模式添加到混洗模式表中，在當前混洗指令中增加對應的混洗模式地址信息和相對偏移信息，然后處理下一個混洗請求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法，其特征在于所述步 驟1的詳細流程為設最終的混洗模式為SF，則SF共有N個域，每個域的位數(shù)l+log2N，用SF_i [j]表示混 洗模式第i域的第j位，其中O彡i彡N-1,0彡j彡Iog2N,對于每個混洗請求的開關矩陣 的壓縮過程如下1. 1設置變量i=0 ；1. 2 查看開關矩陣的第 i 行，若 Xi, O=Xi, FH=XiI2=Xw1=OJiJ SF_i[lo&N]=l，并且 SF_ i [Iog2N-1:0]=0 ；否則 SF_i [Iog2N] =0，設置 j=0 并且轉(zhuǎn)至步驟 1. 3 ；1. 3如果Xi;j=l，則設置SF_i[lo&N-l:0]=j，并轉(zhuǎn)至步驟1. 5，否則轉(zhuǎn)至步驟1. 4 ； 1.4 j=j+l，并轉(zhuǎn)至步驟1.3;1.5 i=i+l，若i彡N-1，則跳至步驟1. 2，否則壓縮完畢，得到的SF_0，SF_1,…，SF_N_1 即為壓縮后的混洗模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法，其特征在于所述步 驟2的詳細流程為2.1讀取SF_Table中的第一個表項，并賦值給變量SF_temp，并且設置變量q=l ；2. 2將SF_temp按照l+log2N的粒度循環(huán)左移q位，并將移位后的值記為SF_temp’，如 果SF_temp，=SF，則轉(zhuǎn)至步驟3 ；否則，轉(zhuǎn)至2. 3 ；2. 3 q=q+l，如果q=N,則跳至步驟2. 4 ；否則跳至步驟2. 2 ；2. 4如果當前表項不是SF_Table中的最后一個表項，則讀取SF_Table中的下一個表 項，記為SF_temp，設置q=l，并跳至步驟2. 2 ；否則跳至步驟4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法，其特征在于所述 步驟3中，是在混洗指令增加對應的混洗模式地址Addr和相對偏移Q，其中，Addr指向當前 所讀取的SF_Table中的表項，Q=q，然后處理下一個混洗請求，并轉(zhuǎn)至步驟1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法，其特征在于所述 步驟4中，是將當前混洗請求的混洗模式添加到SF_Table中，并在混洗指令增加對應的混 洗模式地址Addr和相對偏移Q，其中Addr指向新增加的表項在SF_Table中的位置，Q=O, 然后處理下一個混洗請求，并轉(zhuǎn)至步驟1。
全文摘要
一種基于模式偏移的混洗開關矩陣壓縮方法，其步驟為，步驟1預設SF_Table為存儲混洗模式的表；對當前混洗請求的數(shù)據(jù)粒度設置為交叉開關支持的最小數(shù)據(jù)粒度，按照當前粒度索引法進行壓縮；步驟2判斷當前混洗請求壓縮后的混洗模式與混洗模式表中的某一個表項是否存在模式偏移關系，如果是，跳轉(zhuǎn)至步驟3，否則跳轉(zhuǎn)至步驟4；步驟3保持混洗模式表不變，在當前混洗指令中增加對應的混洗模式地址信息和相對偏移信息，然后處理下一個混洗請求；步驟4將當前混洗模式添加到混洗模式表中，在當前混洗指令中增加對應的混洗模式地址信息和相對偏移信息，處理下一個混洗請求。本發(fā)明具有簡單、操作簡便、適用范圍廣、能夠提高壓縮效率等優(yōu)點。
文檔編號G06F9/315GK101986262SQ20101055928
公開日2011年3月16日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者萬江華, 劉仲, 劉祥遠, 劉勝, 劉衡竹, 張凱, 李振濤, 陳書明, 陳海燕, 陳躍躍 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學