蝶形向量處理電路的可編程數(shù)據(jù)路徑的向量處理引擎以及相關(guān)的向量處理器、系統(tǒng)和方法
【專利說明】具有用于提供多模基-2X蝶形向量處理電路的可編程數(shù)據(jù) 路徑的向量處理引擎W及相關(guān)的向量處理器、系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請還設(shè)及2013年3月13日提交的、名為"VectorProcessingCarry-Save AccumulatorsEmployingRedundantCarry-SaveFormatToReduceCarry Propagation,AndRelatedVectorProcessors,Systems,AndMethods(采用冗余進(jìn)位保留 格式來減少進(jìn)位傳播的向量處理進(jìn)位保留累加器及相關(guān)向量處理器、系統(tǒng)和方法）"的美國 專利申請S/N. 13/798, 618 (高通編號No. 123248)，該申請通過引用其整體被包含于此。
[0003] 本申請設(shè)及2013年3月13日提交的、名為"VectorProcessingEngines HavingProgrammableDataPathConfigurationsForProvidingMulti-ModeVector Processing,AndRelatedVectorProcessors,Systems,andMethods(具有用于提供多模 向量處理的可編程數(shù)據(jù)路徑配置的向量處理引擎及相關(guān)向量處理器、系統(tǒng)和方法）"的美國 專利申請S/N. 13/798, 641 (高通編號No. 123249)，該申請通過引用其整體被包含于此。
【背景技術(shù)】
[0004] I.公開領(lǐng)域
[0005] 公開領(lǐng)域設(shè)及用于處理向量和標(biāo)量運(yùn)算的向量處理器和相關(guān)系統(tǒng)，包括單指令多 數(shù)據(jù)（SIMD)處理器和多指令多數(shù)據(jù)（MIMD)處理器。
[0006] II.背景
[0007] 無線計算系統(tǒng)正迅速成為數(shù)字信息領(lǐng)域中最流行的技術(shù)之一。技術(shù)進(jìn)步已導(dǎo)致越 來越小且越來越強(qiáng)大的無線通信設(shè)備。例如，無線計算設(shè)備通常包括小、輕量且易于由用戶 攜帶的便攜式無線電話、個人數(shù)字助理（PDA)和尋呼設(shè)備。更具體地，便攜式無線電話（諸 如蜂窩電話和網(wǎng)際協(xié)議（I巧電話）可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸語音和數(shù)據(jù)分組。此外，許多該樣 的無線通信設(shè)備包括其它類型的設(shè)備。例如，無線電話可包括數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)字 記錄器、和/或音頻文件播放器。同樣，無線電話可包括可用于接入因特網(wǎng)的web接口。此 夕F，無線通信設(shè)備可包括用于根據(jù)所設(shè)計的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（例如，碼分多址（CDMA)、寬 帶CDMA(WCDMA)W及長期演進(jìn)（LTE))來處理高速無線通信數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理資源。因此，該 些無線通信設(shè)備包括相當(dāng)?shù)挠嬎隳芰Α?br>[0008] 隨著無線計算設(shè)備變得越來越小且越來越強(qiáng)大，它們越來越變得資源受限。例如， 屏幕尺寸、可用存儲器和文件系統(tǒng)空間的量W及輸入和輸出能力的量可能受到設(shè)備的小尺 寸的限制。此外，電池大小、電池提供的電量W及電池的壽命也受到限制。增加設(shè)備的電池 壽命的一種方式是設(shè)計消耗較少功率的處理器。
[0009] 就該一點(diǎn)而言，對包括向量處理器的無線通信設(shè)備可采用基帶處理器。向量處理 器具有提供對數(shù)據(jù)向量（即，數(shù)組）工作的高級運(yùn)算的向量體系結(jié)構(gòu)。與對一組數(shù)據(jù)執(zhí)行 向量指令然后再次取回和解碼向量指令W用于向量內(nèi)的后續(xù)元素相反，向量處理設(shè)及取回 向量指令一次，然后在數(shù)據(jù)元素的整個數(shù)組上執(zhí)行向量指令多次。該種過程允許降低執(zhí)行 程序所需的能量，因為每一向量指令需要被取回的次數(shù)較少等等。由于向量指令同時在多 個時鐘周期上對長向量操作，高度并行性可用簡單的按次序向量指令分派來實現(xiàn)。
[0010] 圖1示出了可在諸如無線計算機(jī)設(shè)備等計算設(shè)備中采用的示例性基帶處理器10。 基帶處理器10包括多個處理引擎（P巧12,它們各自專用于為特定應(yīng)用提供因功能而異的 向量處理。在此示例中，在基帶處理器10中提供了六（6)個分開的PE12(0)-12(5)。陽 12(0)-12(5)各自被配置成為從共享存儲器16向PE12(0)-12(5)提供的固定X位寬的向 量數(shù)據(jù)14提供向量處理。例如，向量數(shù)據(jù)14可W是512位寬。向量數(shù)據(jù)14可被定義成較 小的多個X位寬的向量數(shù)據(jù)樣本集18 (0) -18 (Y)(例如，16位和32位樣本集）。W此方式， PE12(0)-12(5)能夠提供對并行向PE12(0)-12(5)提供的多個向量數(shù)據(jù)樣本集的向量處 理W實現(xiàn)高度并行性。每個PE12(0)-12(5)可包括用于存儲對向量數(shù)據(jù)14處理向量指令 的結(jié)果的向量寄存器文件（VR)。
[0011] 圖1中的基帶處理器10中的每一陽12(0)-12 (5)包括?？谠O(shè)計來高效執(zhí)行特定 類型的固定運(yùn)算的特定、專用的電路和硬件。例如，圖1中的基帶處理器10包括分開的寬帶 碼分多址（WCDMA)PE12(0)、12(1)W及長期演進(jìn)（LTE)PE12(4)、12 巧），因為WCDMA和LTE 設(shè)及不同類型的?？谶\(yùn)算。因此，通過提供分開的WCDMA特定PE12(0)、12(1)W及LTE特 定PE12 (4)、12巧），PE12 (0)、12 (1)、12 (4)、12巧）中的每一個可被設(shè)計成包括特別針對 WCDMA和LTE頻繁執(zhí)行的功能的?？?、專用電路W便進(jìn)行高效運(yùn)算。該種設(shè)計與標(biāo)量處理引 擎形成對照，標(biāo)量處理引擎包括被設(shè)計成靈活W支持較大量的不相關(guān)運(yùn)算但效率較低的更 為通用的電路和硬件。
[001引在PE中通常執(zhí)行向量累加運(yùn)算。就該一點(diǎn)而言，PE包括因功能而異的累加器結(jié) 構(gòu)，該些結(jié)構(gòu)各自具有支持特定向量累加運(yùn)算的專口的電路和硬件W便進(jìn)行高效處理。采 用向量累加運(yùn)算的PE所支持的普通向量運(yùn)算的示例包括濾波運(yùn)算、相關(guān)運(yùn)算W及通常用 于為無線通信算法執(zhí)行快速傅立葉變換（FFT)向量處理運(yùn)算的基-2X(例如，基-2W及 基-4)蝶形運(yùn)算。在PE中提供因功能而異的累加器結(jié)構(gòu)對頻繁執(zhí)行的、?？诘睦奂舆\(yùn)算是 有利的。然而，在PE中提供因功能而異的累加器結(jié)構(gòu)可增加基帶處理器所需的面積和功 率，因為在PE中提供的分開的因功能而異的累加器結(jié)構(gòu)各自包括?？诘碾娐泛痛鎯ζ?。 [001引發(fā)巧概巧
[0014] 此處公開的實施例包括具有用于提供多模基-2X蝶形向量處理電路的可編程數(shù)據(jù) 路徑配置的向量處理引擎（VP巧。還公開了相關(guān)的向量處理器、系統(tǒng)和方法。此處公開的 V陽包括各自具有向量處理塊的多個向量處理級，向量處理塊具有用于執(zhí)行基-2X蝶形向 量運(yùn)算W便高效執(zhí)行快速傅立葉變換（FFT)向量處理的可編程數(shù)據(jù)路徑配置。向量處理塊 的數(shù)據(jù)路徑配置可被編程來提供不同類型的基-2X蝶形向量運(yùn)算W及其它算術(shù)邏輯向量運(yùn) 算。作為結(jié)果，較少的VPE可在一向量處理器中提供所需的基-2X蝶形向量運(yùn)算W及其它 類型的算術(shù)邏輯向量運(yùn)算，由此節(jié)省了向量處理器中的面積，而仍保留與標(biāo)量處理引擎相 比較少的寄存器寫W及較快的向量指令執(zhí)行時間的向量處理優(yōu)點(diǎn)。
[0015] 就該一點(diǎn)而言，在此處公開的某些實施例中，在VPE的向量處理級中提供具有可 編程數(shù)據(jù)路徑配置的多個乘法器塊。多個乘法器塊與在VPE的另一向量處理級中提供的具 有可編程數(shù)據(jù)路徑配置的多個累加器塊烙合。每一乘法器塊的數(shù)據(jù)路徑可被編程，W便根 據(jù)正在執(zhí)行的具體基-2X蝶形向量指令為基-2X蝶形向量運(yùn)算的點(diǎn)提供乘法。每一累加器 塊的數(shù)據(jù)路徑可被編程，W便根據(jù)正在執(zhí)行的基-2X蝶形向量指令累加來自多個乘法器塊 之中的乘法器塊的基-2X蝶形乘積。累加器塊的數(shù)據(jù)路徑配置還可在其它周期中被重新編 程，W便根據(jù)正在執(zhí)行的基-2X蝶形向量指令累加來自多個乘法器塊之中的其它乘法器塊 的基-2X蝶形乘積。由累加器塊累加的最終累加的基-2X蝶形乘積可提供N點(diǎn)FFT向量處 理運(yùn)算。
[0016] 具有用于提供多?；?2X蝶形向量處理的可編程數(shù)據(jù)路徑配置的VPE與僅包括提 供固定功能的固定數(shù)據(jù)路徑配置的VPE是有區(qū)別的。此處所公開的具有用于提供多?；?2X 蝶形向量處理的可編程數(shù)據(jù)路徑配置的V陽還可與標(biāo)量處理引擎（諸如在舉例而言數(shù)字 信號處理器值SP)中提供的標(biāo)量處理引擎）相區(qū)分。標(biāo)量處理引擎采用靈活、通用的電路 和邏輯來執(zhí)行不同類型的非固定功能，但也在向量指令執(zhí)行期間將中間結(jié)果寫入寄存器文 件，從而消耗額外的功率并增加了向量指令執(zhí)行時間。
[0017] 就該一點(diǎn)而言，在一個實施例中，提供了被配置成提供至少一個多?；?2X蝶形向 量處理電路的VPE。V陽包括至少一個乘法向量處理級，該處理級包括至少一個乘法器塊。 每一乘法器塊被配置成從多個輸入數(shù)據(jù)路徑之中的第一輸入數(shù)據(jù)路徑接收來自多個基向 量數(shù)據(jù)輸入樣本集的基向量數(shù)據(jù)輸入樣本集。每一乘法器塊還被配置成根據(jù)至少一個乘法 向量處理級執(zhí)行的基蝶形向量指令，基于可編程乘法數(shù)據(jù)路徑配置將基向量數(shù)據(jù)輸入樣本 集與旋轉(zhuǎn)因子分量相乘W在多個乘法輸出數(shù)據(jù)路徑中提供一基向量乘法輸出樣本集。VPE 還包括至少一個累加向量處理級，該處理級包括多個累加器塊。多個累加器塊之中的每一 累加器塊被配置成基于累加器可編程累加器數(shù)據(jù)路徑配置從多個乘法輸出數(shù)據(jù)路徑之中 的乘法輸出數(shù)據(jù)路徑接收多個基向量乘法輸出樣本集。多個累加器塊之中的每一累加器塊 還被配置成基于累加器可編程累加器數(shù)據(jù)路徑配置累加所接收到的多個基向量乘法輸出 樣本集W提供基向量累加結(jié)果樣本集。多個累加器塊之中的每一累加器塊還被配置成在 多個輸出數(shù)據(jù)路徑之中的輸出數(shù)據(jù)路徑中提供基向量累加結(jié)果樣本集。VPE還包括輸出處 理級，該處理級被配置成從多個累加器塊中的每一累加器塊接收多個基向量累加結(jié)果樣本 集。
[0018] 在另一實施例中，提供了被配置成提供至少一個多模基-2X蝶形向量處理電路的 VPE。V陽包括至少一個乘法向量處理級裝置，該裝置包括至少一個乘法器塊裝置。每一乘 法器塊裝置被配置成從多個輸入數(shù)據(jù)路徑之中的第一輸入數(shù)據(jù)路徑中接收來自多個基向 量數(shù)據(jù)輸入樣本集的基向量數(shù)據(jù)輸入樣本集。每一乘法器塊裝置還被配置成根據(jù)至少一個 乘法向量處理級裝置執(zhí)行的基蝶形向量指令，基于可編程乘法數(shù)據(jù)路徑配置將基向量數(shù)據(jù) 輸入樣本集與旋轉(zhuǎn)因子分量相乘W在多個乘法輸出數(shù)據(jù)路徑中提供基向量乘法輸出樣本 集。VPE還包括至少一個累加向量處理級裝置，該裝置包括多個累加器塊裝置。多個累加器 塊裝置之中的每一累加器塊裝置被配置成基于可編程累加器數(shù)據(jù)路徑配置從多個乘法輸 出數(shù)據(jù)路徑之中的乘法輸出數(shù)據(jù)路徑接收多個基向量乘法輸出樣本集。多個累加器塊裝置 之中的每一累加器塊裝置還被配置成基于可編程累加器數(shù)據(jù)路徑配置累加所接收到的多 個基向量乘法輸出樣本集W提供基向量累加結(jié)果樣本集。多個累加器塊裝置之中的每一累 加器塊裝置還被配置成在多個輸出數(shù)據(jù)路徑之中的輸出數(shù)據(jù)路徑中提供基向量累加結(jié)果 樣本集。VPE還包括輸出處理級裝置，該裝置被配置成從多個累加器塊中的每一累加器塊接 收多個基向量累加結(jié)果樣本集。
[0019] 在另一實施例中，提供了在向量處理引擎（VP巧中的多模基-2X蝶形向量處理電 路處理中處理基-2X向量數(shù)據(jù)的方法。該方法包括從至少一個乘法向量處理級中的至少一 個乘法器塊中的多個輸入數(shù)據(jù)路徑之中的第一輸入數(shù)據(jù)路徑接收來自多個基向量數(shù)據(jù)輸 入樣本集中的基向量數(shù)據(jù)輸入樣本集。該方法還包括在至少一個乘法器塊中根據(jù)至少一個 乘法向量處理級執(zhí)行的基蝶形向量指令，基于可編程乘法數(shù)據(jù)路徑配置將基向量數(shù)據(jù)輸入 樣本集與旋轉(zhuǎn)因子分量相乘W在多個乘法輸出數(shù)據(jù)路徑中提供基向量乘法輸出樣本集。該 方法還包括在至少一個累加向量處理級中的多個累加器塊之中的一累加器塊中，基于累加 器可編程累加器數(shù)據(jù)路徑配置從多個乘法輸出數(shù)據(jù)路徑之中的乘法輸出數(shù)據(jù)路徑接收多 個基向量乘法輸出樣本集。該方法還包括基于累加器可編程累加器數(shù)據(jù)路徑配置，累加所 接收到的多個基向量乘法輸出樣本集W提供基向量累加結(jié)果樣本集。該方法還包括在多個 輸出數(shù)據(jù)路徑之中的輸出數(shù)據(jù)路徑中提供基向量累加結(jié)果樣本集。該方法還包括在輸出處 理級中從多個累加器塊中的每一累加器塊接收多個基向量累加結(jié)果樣本集。
[0020] 在另一實施例中，提供了向量處理器。向量處理器包括至少一個向量寄存器，該向 量寄存器被配置成從向量數(shù)據(jù)存儲器接收基向量數(shù)據(jù)輸入樣本集。向量處理器還包括至少 一個向量結(jié)果寄存器，該向量結(jié)果寄存器被配置成存儲基向量結(jié)果輸出樣本集。向量處理 器還包括VPE。VPE包括至少一個乘法向量處理級。乘法向量處理級被配置成從至少一個乘 法向量處理級中的至少一個乘法器塊中的多個輸入數(shù)據(jù)路徑之中的第一輸入數(shù)據(jù)路徑接 收來自多個基向量數(shù)據(jù)輸入樣本集中的基向量數(shù)據(jù)輸入樣本集。乘法向量處理級還被配置 成在至少一個乘法器塊中，根據(jù)至少一個乘法向量處理級執(zhí)行的基蝶形向量指令，基于可 編程乘法數(shù)據(jù)路徑配置將基向量數(shù)據(jù)輸入樣本集與旋轉(zhuǎn)因子分量相乘W在多個乘法輸出 數(shù)據(jù)路徑中提供基向量乘法輸出樣本集。V陽還包括至少一個累加向量處理級。累加向量 處理級被配置成在至少一個累加向量處理級中的多個累加器塊之中的每一累加器塊中，基 于可編程累加器數(shù)據(jù)路徑配置從多個乘法輸出數(shù)據(jù)路徑之中的乘法輸出數(shù)據(jù)路徑接收多 個基向量乘法輸出樣本集。累加向量處理級還被配置成基于可編程累加器數(shù)據(jù)路徑配置， 在至少一個累加器塊中，累加所接收到的多個基向量乘法輸出樣本集W提供基向量累加結(jié) 果樣本集。累加向量處理級還被配置成在多個輸出數(shù)據(jù)路徑之中的輸出數(shù)據(jù)路徑中提供基 向量累加結(jié)果樣本集。V陽還包括輸出處理級，該處理級被配置成從多個累加器塊中的每一 累加器塊接收多個基向量累加結(jié)果樣本集。
[00引]附圖簡巧
[0022] 圖1是包括各自專用于為特定應(yīng)用提供因功能而異的向量處理的多個向量處理 引擎（VP巧的一示例性向量處理器的示意圖；
[0023] 圖2是包括具有可編程數(shù)據(jù)路徑配置的通用VPE的一示例性向量處理器的示意 圖，該可編程數(shù)據(jù)路徑配置使得VPE中提供的通用電路和硬件可被編程為多個模式，W便 W高效的方式為多個應(yīng)用或技術(shù)執(zhí)行特定類型的向量運(yùn)算而無需提供分開的VPE;
[0024] 圖3是圖2的VPE中提供的示例性向量處理級的示意圖，其中向量處理級中的某 些包括具有可編程數(shù)據(jù)路徑配置的示例性向量處理塊；
[00巧]圖4A是示出包括在圖2和3的示例性向量處理器中的、具有可編程數(shù)據(jù)路徑配置 的至少一個向量處理塊的示例性向量處理的流程圖；
[0026] 圖4B是示出乘法器塊和累加器塊的示例性向量處理的流程圖，該些塊各自具有 可編程數(shù)據(jù)路徑配置并在圖2和3的示例性向量處理器中的不同向量處理級中提供；
[0027] 圖5是圖2和3的VPE的向量處理級中提供的多個乘法器塊的更詳細(xì)的示意圖， 其中多個乘法器塊各自具有可編程數(shù)據(jù)路徑配置，W使得多個乘法器塊可被編程為多個模 式W執(zhí)行特定的、不同類型的向量乘法運(yùn)算；
[0028] 圖6是圖5中多個乘法器塊之中的一乘法器塊的內(nèi)部組件的示意圖，該乘法器塊 具有能夠被編程W提供8位乘8位向量數(shù)據(jù)輸入樣本集和16位乘16位向量數(shù)據(jù)輸入樣本 集的乘法運(yùn)算的可編程數(shù)據(jù)路徑配置；
[0029] 圖7是圖2和3的VPE中的乘法器塊和累加器塊的一般化示意圖，其中累加器塊 采用進(jìn)位保留累加器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用冗余進(jìn)位保留格式來減少進(jìn)位傳播；
[0030] 圖8是圖7的累加器塊的示例性內(nèi)部組件的詳細(xì)示意圖，該累加器塊在圖2和3的 VPE中提供，其中累加器塊具有可編程數(shù)據(jù)路徑配置，W使得累加器塊可被編程為多個模式 W便用冗余進(jìn)位保留格式執(zhí)行特定的、不同類型的向量累加運(yùn)算；
[0031] 圖9A是圖8的累加器塊的示意圖，該累加器塊具有被編程用于提供雙24位累加 器模式的數(shù)據(jù)路徑配置；
[0032] 圖9B是圖8的累加器塊的示意圖，該累加器塊具有被編程用于提供單個40位累 加器模式的數(shù)據(jù)路徑配置；
[0033] 圖9C是圖8的累加器塊的示意圖，該累加器塊具有被編程用于提供16位進(jìn)位保 留加法器繼之W單個24位累加器模式的數(shù)據(jù)路徑配置；
[0034] 圖10是一乘法器的概念示意圖，該乘法器具有被編程W在圖2和3的VPE中與冗 余進(jìn)位保留格式的四（4)個累加器烙合從而形成被配置成執(zhí)行基-4蝶形向量運(yùn)算的每一 周期的基蝶形電路的數(shù)據(jù)路徑配置；
[00巧]圖11是圖10中的基蝶形電路的一個周期的示意圖，該電路被配置成或者執(zhí)行 基-2蝶形向量運(yùn)算或者執(zhí)行基-4蝶形向量運(yùn)算；W及
[0036] 圖12是根據(jù)此處公開的實施例的可包括向量處理器的示例性的基于處理器的系 統(tǒng)的框圖，該向量處理器包括具有可編程數(shù)據(jù)路徑配置的VPE，所WVPE中的通用電路和硬 件可被編程W用作被設(shè)計成W高效方式為多個應(yīng)用或技術(shù)執(zhí)行特定類型的向量運(yùn)算的專 用電路，而無需提供分開的VPE。
[00；37]詳細(xì)描巧
[0038] 現(xiàn)在參考附圖，描述了本發(fā)明的若干示例性實施例。措辭"示例性"在本文中用于 表示"用作示例、實例或解說"。本文中描述為"示例性"的任何實施例并不必然被解釋為優(yōu) 于或勝過其他實施例。
[0039] 此處公開的實施例包括具有用于提供多模基-2X蝶形向量處理的可編程數(shù)據(jù)路徑 配置的向量處理引擎（VP巧。還公開了相關(guān)的向量處理器、系統(tǒng)和方法。此處公開的V陽包 括各自具有向量處理塊的多個向量處理級，該些向量處理塊具有用于執(zhí)行基-2X蝶形向量 運(yùn)算W便高效執(zhí)行快速傅立葉變換（FFT)向量處理運(yùn)算的可編程數(shù)據(jù)路徑配置。向量處理 塊的數(shù)據(jù)路徑配置可被編程來提供不同類型的基-2X蝶形向量運(yùn)算W及其它算術(shù)邏輯向量 運(yùn)算。作為結(jié)果，較少的VPE可在一向量處理器中提供所需的基-2X蝶形向量運(yùn)算W及其 它類型的算術(shù)邏輯向量運(yùn)算，由此節(jié)省了向量處理器中的面積而仍保留與標(biāo)量處理引擎相 比較少的寄存器寫W及較快的向量指令執(zhí)行時間的向量處理優(yōu)點(diǎn)。
[0040] 就該一點(diǎn)而言，在此處公開的某些實施例中，在VPE的一向量處理級中提供具有 可編程數(shù)據(jù)路徑配置的多個乘法器塊。該多個乘法器塊與在VPE的另一向量處理級中提供 的具有可編程數(shù)據(jù)路徑配置的多個累加器塊烙合。每一乘法器塊的數(shù)據(jù)路徑可被