一種基于嵌入式微處理器SIMD核的可重構(gòu)數(shù)據(jù)總線設(shè)計(jì)

　　摘要：提出了一種基于可重構(gòu)總線的數(shù)據(jù)并行體系結(jié)構(gòu)。首先，針對(duì)現(xiàn)代多媒體處理中存在的問題，提出了一種基于可重構(gòu)總線的一維處理單元陣列體系結(jié)構(gòu);其次，設(shè)計(jì)各處理單元之間的通信模塊以及處理元之間的數(shù)據(jù)傳遞方式，即可重構(gòu)數(shù)據(jù)總線的設(shè)計(jì);最后，通過對(duì)幾種常用的圖像處理算法的驗(yàn)證，表明基于可重構(gòu)總線的一維SIMD體系結(jié)構(gòu)在邏輯上具有可行性。

　　前言

　　由于近些年來消費(fèi)類設(shè)備需求的猛增，如數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等設(shè)備，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的處理能力近年來成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)。但是，傳統(tǒng)的處理器已經(jīng)不能滿足人們對(duì)日益增長(zhǎng)的處理能力的要求。本文的體系結(jié)構(gòu)正是針對(duì)數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)，結(jié)合并行處理和可重構(gòu)技術(shù)，提高處理器在圖像處理方面的能力。

　　SIMD計(jì)算機(jī)是由M.J.Flynn在對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類中提出。根據(jù)SIMD結(jié)構(gòu)上的不同，可將其分類為兩種。一種是PE-to-Memory結(jié)構(gòu)的SIMD計(jì)算機(jī)，PE不含局部存儲(chǔ)器，而由若干存儲(chǔ)器模塊通過對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)與PE相連，各存儲(chǔ)模塊為各PE共享，所以這種結(jié)構(gòu)又稱為共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的SIMD計(jì)算機(jī)。另一種是PE-to-PE，即PE由ALU和局部存儲(chǔ)器組成，PE間通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，完成PE之間的數(shù)據(jù)通訊。這種結(jié)構(gòu)也被稱為分布式局部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)SIMD計(jì)算機(jī)，在已研究成的SIMD機(jī)器中占絕大多數(shù)，本文中提出的SIMD核也采用此結(jié)構(gòu)。

　　基于可重構(gòu)總線的SIMD體系結(jié)構(gòu)

　　體系結(jié)構(gòu)模型

　　基于可重構(gòu)總線的SIMD體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，由宿主機(jī)(Host)、協(xié)處理器(coprocessor)以及數(shù)據(jù)總線組成?！　?/p>

 

　　該模型的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用哈佛結(jié)構(gòu)，從而在尋址等一系列方面存在優(yōu)勢(shì)。由上圖可以看出該體系結(jié)構(gòu)的主要部分在于PE陣列，共有32個(gè)PE，并且相鄰兩個(gè)PE之間增加了可重構(gòu)總線，用于負(fù)責(zé)PE之間的通信，從而引入了鄰居本地化，配置總線指令等相關(guān)內(nèi)容，增強(qiáng)了PE之間通信的靈活性。另外，在PE陣列中，該模型還為每個(gè)PE設(shè)計(jì)了DRAM，為每個(gè)處理元提供片上內(nèi)存，減少了與宿主機(jī)的I/O次數(shù)，從而提高了PE陣列的處理能力。