專利名稱：一種支持fft加速的simd向量處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種支持FFT加速的SIMD向量處理器及其設(shè)計(jì)方法，具體地說是一種支持可變點(diǎn)數(shù)，對(duì)FFT/IFFT運(yùn)算加速效率較高而整體硬件開銷較低的SIMD向量處理器及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)運(yùn)算一般都通過專用硬件加速器(稱為FFT處理器)或DSP處理器完成。專用硬件加速器能獲得較高的加速效率，但是會(huì)占用較多額外資源，包括片上存儲(chǔ)資源和片上計(jì)算邏輯資源，特別是當(dāng)變換的長(zhǎng)度極大時(shí)，專用硬件加速器所占用的額外資源將無(wú)法承受。用DSP處理器軟件編程的方式完成 FFT運(yùn)算雖然不會(huì)占用額外的硬件資源且具有很大的靈活性，但是其處理速度相對(duì)較慢，滿足不了某些應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求。
在一些數(shù)字信號(hào)處理算法，如距離-多普勒算法中，涉及大量各種長(zhǎng)度的向量處理，最長(zhǎng)可達(dá)到16K甚至更長(zhǎng)。對(duì)這些向量的處理既包括規(guī)則的向量運(yùn)算(向量加減法、向量乘法等)也包括FFT/IFFT運(yùn)算。SIMD向量處理器可用來加速規(guī)則的向量運(yùn)算，但是尚未出現(xiàn)同時(shí)能夠直接加速FFT運(yùn)算(加速效率和專用加速器相當(dāng))的SIMD向量處理器，在這種情況下，還需要另外使用FFT硬件加速器來加速各種點(diǎn)數(shù)的FFT/IFFT運(yùn)算，額外的片上資源將會(huì)被占用。發(fā)明內(nèi)容
為了加速大點(diǎn)數(shù)FFT的運(yùn)算效率，同時(shí)避免使用專門硬件加速器所帶來的額外硬件開銷，本發(fā)明的目的是提供一種支持FFT加速的SIMD向量處理器。該SIMD向量處理器能夠直接加速FFT運(yùn)算，還可提供和專用硬件加速器加速效率相當(dāng)?shù)腇FT運(yùn)算加速，在保證性能的同時(shí)避免額外的硬件開銷。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種支持FFT加速的SIMD向量處理器，其特征在于該處理器包括控制單元、計(jì)算單元、存儲(chǔ)器子系統(tǒng)、存儲(chǔ)交織單元和地址產(chǎn)生單元；所述計(jì)算單元支持各種向量運(yùn)算的快速處理，所述存儲(chǔ)器子系統(tǒng)包括存放操作數(shù)的存儲(chǔ)器組A、存放系數(shù)的存儲(chǔ)器組B和存放運(yùn)算結(jié)果的存儲(chǔ)器組C，且存儲(chǔ)器組A、存儲(chǔ)器組B和存儲(chǔ)器組C內(nèi)的單個(gè)存儲(chǔ)體的位寬為一個(gè)復(fù)數(shù)字，支持4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)向量運(yùn)算和8路數(shù)據(jù)并行的實(shí)數(shù)向量運(yùn)算；計(jì)算單元、地址產(chǎn)生單元和存儲(chǔ)交織單元均與控制單元連接；地址產(chǎn)生單元根據(jù)運(yùn)算類型、運(yùn)算的數(shù)據(jù)并行度及向量的長(zhǎng)度產(chǎn)生所需的操作數(shù)地址序列、系數(shù)地址序列、結(jié)果地址序列；存儲(chǔ)交織單元與地址產(chǎn)生單元和計(jì)算單元連接，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)體的地址映射。
本發(fā)明中，存儲(chǔ)器組A、存儲(chǔ)器組B和存儲(chǔ)器組C均為4個(gè)存儲(chǔ)體。存儲(chǔ)交織單元實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器組A、存儲(chǔ)器組B和存儲(chǔ)器組C內(nèi)部4個(gè)存儲(chǔ)體的地址映射，使同時(shí)讀取的4個(gè)操作數(shù)位于4個(gè)不同的存儲(chǔ)體，且同時(shí)寫入的4個(gè)運(yùn)算結(jié)果位于4個(gè)不同的存儲(chǔ)體；通過可編程地址映射方法，支持各種長(zhǎng)度向量的規(guī)則向量運(yùn)算和FFT/IFFT運(yùn)算。
所述可編程地址映射方法是可通過軟件編程方式設(shè)置向量長(zhǎng)度，對(duì)于不同的向量長(zhǎng)度，地址映射方法也相應(yīng)變化，且在各向量長(zhǎng)度下，均能保證規(guī)則向量運(yùn)算和FFT/IFFT 運(yùn)算無(wú)沖突讀寫。
計(jì)算單元包括2個(gè)復(fù)數(shù)乘法器和4個(gè)復(fù)數(shù)加法器，支持2路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)乘法、 卷積運(yùn)算，4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)加減法、累加運(yùn)算，4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)模方運(yùn)算，4路數(shù)據(jù)并行的FFT/IFFT運(yùn)算，以及8路數(shù)據(jù)并行的實(shí)數(shù)乘法、卷積、加減法、累加運(yùn)算。對(duì)于上述的η路數(shù)據(jù)并行的向量運(yùn)算，平均每個(gè)時(shí)鐘周期處理η個(gè)向量單元(不考慮處理每個(gè)向量前的流水線填充時(shí)間)。其加速效率與專用硬件加速器相當(dāng)，且支持可變點(diǎn)數(shù)，因此在保障系統(tǒng)計(jì)算效率的同時(shí)，節(jié)省了在設(shè)計(jì)中因使用FFT專用硬件加速單元而帶來的巨額片上存儲(chǔ)資源與邏輯資源開銷。
本發(fā)明中的存儲(chǔ)子系統(tǒng)包括三個(gè)存儲(chǔ)器組，分別存放操作數(shù)、系數(shù)和運(yùn)算結(jié)果，每組存儲(chǔ)器分為4個(gè)存儲(chǔ)體，存儲(chǔ)體的位寬為一個(gè)復(fù)數(shù)字，以支持4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)向量運(yùn)算和8路數(shù)據(jù)并行的實(shí)數(shù)向量運(yùn)算。地址產(chǎn)生單元，能夠根據(jù)運(yùn)算類型(規(guī)則運(yùn)算、FFT/ IFFT運(yùn)算)、運(yùn)算的數(shù)據(jù)并行度(2、4、8)、向量的長(zhǎng)度等產(chǎn)生所需的操作數(shù)地址序列、系數(shù)地址序列(對(duì)某些運(yùn)算不需要，如累加運(yùn)算和復(fù)數(shù)模方運(yùn)算)、結(jié)果地址序列。
本發(fā)明能夠直接加速FFT運(yùn)算的SIMD向量處理器，除了能夠加速規(guī)則向量運(yùn)算之外，還可提供和專用硬件加速器加速效率相當(dāng)?shù)腇FT運(yùn)算加速，在保證性能的同時(shí)避免額外的硬件開銷。
本發(fā)明的有益效果是通過向SIMD向量處理器添加FFT加速指令的方式，取得了和專用硬件加速器相當(dāng)?shù)募铀傩?，而避免了使用專用硬件加速所帶來的額外硬件開銷。 本發(fā)明可以有效地應(yīng)用于具有大量超長(zhǎng)向量運(yùn)算(包括規(guī)則向量運(yùn)算與FFT/IFFT)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的整體架構(gòu)示意圖；圖2是傳統(tǒng)的radix-2 DIT FFT運(yùn)算數(shù)據(jù)流圖； 圖3是本發(fā)明的radix-2 DIT FFT運(yùn)算數(shù)據(jù)流圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明支持FFT加速的SIMD向量處理器進(jìn)行詳細(xì)的說明。
一種支持FFT加速的SIMD向量處理器，見圖1，該處理器包括控制單元、計(jì)算單元、 存儲(chǔ)器子系統(tǒng)、存儲(chǔ)交織單元和地址產(chǎn)生單元。
計(jì)算單元支持各種向量運(yùn)算的快速處理，計(jì)算單元包括2個(gè)復(fù)數(shù)乘法器和4個(gè)復(fù)數(shù)加法器，支持2路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)乘法、卷積運(yùn)算，4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)加減法、累加運(yùn)算，4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)模方運(yùn)算，4路數(shù)據(jù)并行的FFT/IFFT運(yùn)算，以及8路數(shù)據(jù)并行的實(shí)數(shù)乘法、卷積、加減法、累加運(yùn)算。對(duì)于上述的η路數(shù)據(jù)并行的向量運(yùn)算，平均每個(gè)時(shí)鐘周期處理η個(gè)向量單元(不考慮處理每個(gè)向量前的流水線填充時(shí)間)。其加速效率與專用硬件加速器相當(dāng)，且支持可變點(diǎn)數(shù)，因此在保障系統(tǒng)計(jì)算效率的同時(shí)，節(jié)省了在設(shè)計(jì)中因使用FFT專用硬件加速單元而帶來的巨額片上存儲(chǔ)資源與邏輯資源開銷。
存儲(chǔ)器子系統(tǒng)包括三個(gè)存儲(chǔ)器組，分別為存放操作數(shù)的存儲(chǔ)器組A、存放系數(shù)的存儲(chǔ)器組B和存放運(yùn)算結(jié)果的存儲(chǔ)器組C，且每個(gè)存儲(chǔ)器組內(nèi)均為4個(gè)存儲(chǔ)體。單個(gè)存儲(chǔ)體的位寬為一個(gè)復(fù)數(shù)字，支持4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)向量運(yùn)算和8路數(shù)據(jù)并行的實(shí)數(shù)向量運(yùn)算， 使同時(shí)讀取的4個(gè)操作數(shù)位于4個(gè)不同的存儲(chǔ)體，且同時(shí)寫入的4個(gè)運(yùn)算結(jié)果位于4個(gè)不同的存儲(chǔ)體；通過可編程地址映射方法，支持各種長(zhǎng)度向量的規(guī)則向量運(yùn)算和FFT/IFFT運(yùn)算。計(jì)算單元、地址產(chǎn)生單元和存儲(chǔ)交織單元均與控制單元連接。
地址產(chǎn)生單元根據(jù)運(yùn)算類型、運(yùn)算的數(shù)據(jù)并行度及向量的長(zhǎng)度產(chǎn)生所需的操作數(shù)地址序列、系數(shù)地址序列、結(jié)果地址序列；存儲(chǔ)交織單元與地址產(chǎn)生單元和計(jì)算單元連接， 并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)體的地址映射。存儲(chǔ)交織單元與三個(gè)存儲(chǔ)器組相適配，也包括存儲(chǔ)交織單元A、 存儲(chǔ)交織單元BT和存儲(chǔ)交織單元C三個(gè)部分。
可編程地址映射方法是可通過軟件編程方式設(shè)置向量長(zhǎng)度，對(duì)于不同的向量長(zhǎng)度，地址映射方法也相應(yīng)變化，且在各向量長(zhǎng)度下，均能保證規(guī)則向量運(yùn)算和FFT/IFFT運(yùn)算無(wú)沖突讀寫。
如前所述，使支持規(guī)則向量運(yùn)算的SIMD處理器支持FFT直接加速的最大障礙在于地址沖突。在FFT專用硬件加速器設(shè)計(jì)中同樣會(huì)面臨這個(gè)問題，并已經(jīng)有很成熟的解決方法，一般可以通過靈活的設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)和地址映射來避免。但是，在這里問題就更復(fù)雜了， 因?yàn)樾枰谔砑覨FT加速指令之后仍能支持其他規(guī)則向量運(yùn)算的加速。
本發(fā)明應(yīng)用新的radix-2 DIT FFT運(yùn)算數(shù)據(jù)流圖，并提出了一種地址映射方法同時(shí)支持規(guī)則向量運(yùn)算與FFT/IFFT的無(wú)沖突存儲(chǔ)器存取，而且其可編程性支持各種長(zhǎng)度向量的運(yùn)算。
圖2是傳統(tǒng)的radix-2 DIT FFT運(yùn)算數(shù)據(jù)流圖(輸入數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行過地址的比特位反轉(zhuǎn))?；谠摂?shù)據(jù)流圖進(jìn)行計(jì)算時(shí)，操作數(shù)的地址序列與結(jié)果的地址序列是相同的，但對(duì)于每一級(jí)運(yùn)算地址序列都是不同的，見表1。
表1每個(gè)操作數(shù)/結(jié)果數(shù)據(jù)通道的地址序列(對(duì)于長(zhǎng)度為8的FFT)
權(quán)利要求
1.一種支持FFT加速的SIMD向量處理器，其特征在于該處理器包括控制單元、計(jì)算單元、存儲(chǔ)器子系統(tǒng)、存儲(chǔ)交織單元和地址產(chǎn)生單元；所述計(jì)算單元支持各種向量運(yùn)算的快速處理，所述存儲(chǔ)器子系統(tǒng)包括存放操作數(shù)的存儲(chǔ)器組A、存放系數(shù)的存儲(chǔ)器組B和存放運(yùn)算結(jié)果的存儲(chǔ)器組C，且存儲(chǔ)器組A、存儲(chǔ)器組B和存儲(chǔ)器組C內(nèi)的單個(gè)存儲(chǔ)體的位寬為一個(gè)復(fù)數(shù)字，支持4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)向量運(yùn)算和8路數(shù)據(jù)并行的實(shí)數(shù)向量運(yùn)算；計(jì)算單元、 地址產(chǎn)生單元和存儲(chǔ)交織單元均與控制單元連接；地址產(chǎn)生單元根據(jù)運(yùn)算類型、運(yùn)算的數(shù)據(jù)并行度及向量的長(zhǎng)度產(chǎn)生所需的操作數(shù)地址序列、系數(shù)地址序列、結(jié)果地址序列；存儲(chǔ)交織單元與地址產(chǎn)生單元和計(jì)算單元連接，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)體的地址映射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持FFT加速的SIMD向量處理器，其特征在于存儲(chǔ)器組A、 存儲(chǔ)器組B和存儲(chǔ)器組C均為4個(gè)存儲(chǔ)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的支持FFT加速的SIMD向量處理器，其特征在于存儲(chǔ)交織單元實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器組A、存儲(chǔ)器組B和存儲(chǔ)器組C內(nèi)部4個(gè)存儲(chǔ)體的地址映射，使同時(shí)讀取的4 個(gè)操作數(shù)位于4個(gè)不同的存儲(chǔ)體，且同時(shí)寫入的4個(gè)運(yùn)算結(jié)果位于4個(gè)不同的存儲(chǔ)體；通過可編程地址映射方法，支持各種長(zhǎng)度向量的規(guī)則向量運(yùn)算和FFT/IFFT運(yùn)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的支持FFT加速的SIMD向量處理器，其特征在于所述可編程地址映射方法是可通過軟件編程方式設(shè)置向量長(zhǎng)度，對(duì)于不同的向量長(zhǎng)度，地址映射方法也相應(yīng)變化，且在各向量長(zhǎng)度下，均能保證規(guī)則向量運(yùn)算和FFT/IFFT運(yùn)算無(wú)沖突讀寫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持FFT加速的SIMD向量處理器，其特征在于計(jì)算單元包括2個(gè)復(fù)數(shù)乘法器和4個(gè)復(fù)數(shù)加法器，支持2路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)乘法、卷積運(yùn)算，4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)加減法、累加運(yùn)算，4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)模方運(yùn)算，4路數(shù)據(jù)并行的FFT/IFFT運(yùn)算， 以及8路數(shù)據(jù)并行的實(shí)數(shù)乘法、卷積、加減法、累加運(yùn)算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種支持FFT加速的SIMD向量處理器。包括控制單元、計(jì)算單元、存儲(chǔ)子系統(tǒng)、存儲(chǔ)交織單元和地址產(chǎn)生單元計(jì)算單元支持各種向量運(yùn)算的快速處理；存儲(chǔ)器子系統(tǒng)包括三個(gè)存儲(chǔ)器組，每個(gè)存儲(chǔ)器組包括四個(gè)存儲(chǔ)體且存儲(chǔ)器組內(nèi)的單個(gè)存儲(chǔ)體的位寬為一個(gè)復(fù)數(shù)字，支持4路數(shù)據(jù)并行的復(fù)數(shù)向量運(yùn)算和8路數(shù)據(jù)并行的實(shí)數(shù)向量運(yùn)算；計(jì)算單元、地址產(chǎn)生單元和存儲(chǔ)交織單元均與控制單元連接；地址產(chǎn)生單元產(chǎn)生所需的操作數(shù)地址序列、系數(shù)地址序列、結(jié)果地址序列；存儲(chǔ)交織單元與地址產(chǎn)生單元和計(jì)算單元連接，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)體的地址映射。本發(fā)明對(duì)FFT/IFFT運(yùn)算的加速效率和專用硬件加速器相當(dāng)，卻避免了使用專用硬件加速器所帶來的巨大的額外開銷，適用于具有大量長(zhǎng)向量運(yùn)算的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G06F9/34GK102495721SQ20111039371
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者孫敏敏, 李麗, 李偉, 沙金, 潘紅兵, 王佳文, 鄭維山 申請(qǐng)人:南京大學(xué)