CN103077004A - 支持多种数据类型的单指令多数据移位装置 - Google Patents

Abstract

一种支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，包括N个原子移位阵列，N为正整数，每个原子移位阵列支持32位数据宽度的移位操作，每个原子移位阵列包括：格式转换器，用于依据输入的数据类型信息，对输入的32位原始数据进行格式转换；第一移位器，用于接收格式转换器输出的32位数据，并依据输入的数据类型信息与移位量，对32位数据进行第一阶段移位；第二移位器，用于接收第一移位器的输出结果，以字节为单位对数据进行第二阶段移位；移位结果封装器，用于接收第二移位器的移位结果，并依据输入的数据类型控制信息，对移位后的字节数据整合封装为最终移位结果。本发明资源复用，结构简单且时序性能较好。

Description

支持多种数据类型的单指令多数据移位装置

技术领域

本发明涉及一种微处理器体系结构设计，尤其涉及单指令多数据的移位部件。

背景技术

为了满足日益增加的多媒体运算性能需求，如数字音频解码，图像处理以及视频处理。在高性能的微处理器中，多媒体运算单元以其良好的功耗及性能效益成为微处理器一个不可或缺的部件，比如ARM公司的neon扩展单元。而为了获得更好的多媒体处理性能，多媒体处理单元往往需要更宽的数据位宽（通常为128位的数据位宽），以期望获得更大的单位处理能力，而增加的数据位宽无疑大大的增加了矢量处理单元的资源和功耗，从而大大的增加了成本，在多媒体处理单元中控制资源和成本无疑成为设计的一个重点。

多媒体运算中包含了大量的移位操作，单指令多数据移位处理单元是多媒体处理单元的一个重要部件。现有的设计方法主要是，处理单元中包含了处理器所支持的所有数据元素宽度的移位部件，通常，1个128位的数据，需要包含了4个32位的全移位器、8个16位的全移位器和16个8位的全移位器，然后根据当前指令的数据元素宽度从上述的移位器中选择最终移位结果。这种设计方法的缺点在于：第一，没有资源复用，耗费大量逻辑资源，不利于成本控制；第二，逻辑时序性能不好，通常在高性能处理器中，单指令多数据的移位操作无法在一级流水线中完成，需要两级甚至更多，而对上述移位部件的时序的划分会非常困难，会造成功能上划分不够清晰，中间寄存器过多等缺点。

发明内容

为了克服现有单指令多数据移位部件的资源耗费过大，时序不好划分的不足，本发明提供了一种资源复用，结构简单且时序性能较好的支持多种数据类型的单指令多数据移位装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，包括N个原子移位阵列，N为正整数，每个原子移位阵列支持32位数据宽度的移位操作，所述移位操作包括1个32位元素移位，即将32位数据当作一个32位整型操作数元素进行移位； 2个16位元素并行移位，即将32位数据当作2个16位整型操作数元素进行移位；和4个8位元素并行移位，即将32位数据当作4个8位整型操作数元素进行移位；

每个原子移位阵列包括：

格式转换器，用于依据输入的数据类型信息，对输入的32位原始数据进行格式转换；

第一移位器，用于接收格式转换器输出的32位数据，并依据输入的数据类型信息与移位量，对32位数据进行第一阶段移位；

第二移位器，用于接收第一移位器的输出结果，以字节为单位对数据进行第二阶段移位；

移位结果封装器，用于接收第二移位器的移位结果，并依据输入的数据类型控制信息，对移位后的字节数据整合封装为最终移位结果。

进一步，所述格式转换器中，格式转换如下：对于无符号左移操作，保持各个元素原数据不变；

对于有符号左移操作，保持各个元素原数据不变；

对于无符号右移操作，保持各个元素原数据不变；

对于有符号右移操作：

若元素为正数，则保持元素原数据不变； 若元素为负数，则将元素原数据取反。

再进一步，所述第一移位器中，所述第一阶段移位对数据元素完成移位量为0/8/16/24/32的移位操作，具体操作方式如下：

当数据元素宽度为8位时，第一移位器不做操作；

当数据元素宽度为16位时，第一移位器分别对2个16位元素采取如下操作：

若元素移位量小于8，则第一移位器不做操作；

若元素移位量大于等于8，且小于16，则第一移位器移位8位；

若元素移位量大于等于16，则该第一移位器移位16位；

当数据元素宽度为32位时，第一移位器对32位元素采取如下操作：

若元素移位量小于8，则第一移位器不做操作；

若元素移位量大于等于8，且小于16，则第一移位器移位8位；

若元素移位量大于等于16，且小于24，则第一移位器移位16位；

若元素移位量大于等于24，且小于32，则第一移位器移位24位；

若元素移位量大于等于32，则该阶段移位32位。

所述第二移位器包括4个8bit的左移位器和右移位器，将32位输入数据划分为4个8位子数据，由低到高分别记为第一子数据、第二子数据、第三子数据和第四子数据，并对各子数据按照如下方式扩展后再移位：

对于左移操作，在各子数据高位0扩展一倍位宽后进行左移位器操作；

对于右移操作，在各子数据低位0扩展一倍位宽后进行右移位器操作。

所述第二移位器根据移位方向选择输出数据，对各子数据的移位结果由低到高分别记输出数据为第一输出子数据、第二输出子数据、第三输出子数据和第四输出子数据。

再进一步，所述移位结果封装器中，对第二移位器四个输出子数据按照如下方式进行初步封装：

对于数据元素宽度为8的操作，对各输出子数据按如下方式初步封装：

对于左移操作，直接舍弃第二移位器的各输出子数据的高8位扩展数据，保留低8位数据；

对于右移操作，舍弃第二移位器的各输出子数据的低8位扩展数据，保留高8位数据；

对于数据元素宽度为16位的操作，按照如下方式初步封装：

对于左移的操作，舍弃第四输出子数据和第二输出子数据的高8位扩 展位，将第四输出子数据低8位与第三输出子数据的高8位求或为结果第四字节，第三输出子数据的低8位为结果第三字节，第二输出子数据低8位与第一输出子数据高8位求或后为结果第二字节，第一输出子数据的低8位为结果第一字节；

对于右移的操作，舍弃第三输出子数据和第一输出子数据的低8位，第四输出子数据高8位为结果第四字节，第四输出子数据的低8位与第三输出子数据的高8位求或后为结果第三字节，第二输出子数据的高8位为结果第二字节，第二输出子数据的低8为与第一输出子数据的高8位求或后为结果第一字节。

对于数据元素宽度为32位的操作，按照如下方式初步封装：

对于左移的操作，舍弃第四输出子数据的高8位扩展位，第四输出子数据的低8位与第三输出子数据的高8位求或后为结果第四字节，第三输出子数据低8位与第二输出子数据的高8位求或后为结果第三字节，第二输出子数据低8位与第一输出子数据高8位求或后为结果第二字节，第一输出子数据低8位为结果第一字节；

对于右移的操作，舍弃第一输出子数据的低8位扩展位，第四输出子数据高8位为结果第四字节，第四输出子数据低8位与第三输出子数据高8位求或后为结果第三字节，第三输出子数据低8位与第二输出子数据高8位求或后为结果第二字节，第二输出子数据低8位与第一输出子数据高8位求或后为结果第一字节。

更进一步，所述移位结果封装器中，对初步封装后的结果数据按照如下方式获取最终移位结果：

对于无符号左移操作，初步封装结果为最终结果；

对于有符号左移操作，初步封装结果为最终结果；

对于无符号右移操作，初步封装结果为最终结果；

对于有符号右移操作：

若元素为正数，初步封装结果为最终结果；

若元素为负数，初步封装结果取反后为最终结果。

进一步，所述移位结果封装器中，第一移位器移位量与第二移位器的移位量之和等于最终移位结果。

本发明的有益效果主要表现在：降低单指令多数据移位部件资源，提升部件的时序性能。

附图说明

图1为支持多数据宽度的单指令多数据的移位装置的原子移位阵列的示意图。

图2 为原子移位阵列中格式转换器示意图。

图3为原子移位阵列中第一移位器的移位结果示意图。

图4为原子移位阵列中第一移位器示意图。

图5为原子移位阵列中第二移位器示意图。

图6为原子移位整列中结果封装器示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1~图6，一种支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，包括N个原子移位阵列，每个原子阵列支持32位数据宽度的移位操作，包括1个32位元素移位（将32位元素看作一个32位的整型数据进行移位）或2个16位元素并行移位（将32位元素看作2个16位的整型数据进行移位）或4个8位元素并行移位（将32位元素看作4个8位的整型数据进行移位）。

进一步，每个原子移位阵列包括：

格式转换器，依据输入的数据类型信息，对输入的32位原始数据进行如下格式转换：对于无符号左移操作，保持各个元素原数据不变；对于有符号左移操作，保持各个元素原数据不变；对于无符号右移操作，保持各个元素原数据不变；对于有符号右移操作：若元素为正数，则保持元素原数据不变；若元素为负数，则将元素原数据取反。如图2所示的格式转换器，以操作是否为有符号且右移作为选择信号，选择原始数据或求反后的数据；以元素数据宽度为3选1的选择信号，选择从哪个子格式转换器的输出数据为最终格式转换器结果。使用这种方法之后，后级移位过程只需统一移入0值。图2中格式转换器中包含了1个32位求反、2个16位求反、4个8位求反的逻辑以及若干选择器逻辑。

第一移位器，接收格式转换器输出的32位数据，并依据输入的数据类型信息与移位量，对32位数据进行第一阶段移位，第一阶段移位对数据元素完成移位量为0/8/16/24/32的移位操作，具体操作方式如下：

当数据元素宽度为8位时，第一移位器不做移位操作，图3以及图4中8位元素第一移位图示可以看到：若移位宽度为0到8，第一移位结果为原值（即移0位）。若移位宽度大于等于8，则移位结果为0（即移8位）。

当数据元素宽度为16位时，第一移位器对2个16位元素采取分别的移位操作，如图3及图4的中16位元素第一移位可以看到，每个16位元素的移位结果有6种情况，左移和右移分别3中情况：若元素移位量小于8，则第一移位器不做操作（即左移或右移0位）；若元素移位量大于等于8，且小于16，则第一移位器移位8位；若元素移位量大于等于16，则该第一移位器移位16位（则移位结果为0）。

当数据元素宽度为32位时，第一移位器对32位元素整体看作一个元素进行移位操作，图3和图4中的32位元素第一移位可以看到，对32为元素，第一移位的结果共有10种情况，左移和右移分别5中情况：若元素移位量小于8，则第一移位器不做操作；若元素移位量大于等于8，且小于16，则第一移位器移位8位；若元素移位量大于等于16，且小于24，则第一移位器移位16位；若元素移位量大于等于24，且小于32，则第一移位器移位24位；若元素移位量大于等于32，则该阶段移位32位。

本实施例中图4所示，第一移位器包含了1个32位的5个移位结果选择器和2个16位的3个移位结果选择器以及4个8位的2个移位结果选择器，移位结果的选择信号根据不同的元素宽度和整体移位量而采用上述的方式进行选择，例如，一个32位的数据元素，左移26位，移位量落在24到32的区间，则，第一移位器的移位结果应选择左移24位的结果。图3中罗列了部分移位结果示例。最后如图1中所示，第一移位器根据数据元素的宽度选择上述的移位选择器的结果作为第一移位器的输出结果。

第二移位器，接收第一移位器的输出结果，以字节为单位对数据进行第二阶段移位，将32位输入数据划分为4个8位子数据，由低到高分别记为第一子数据、第二子数据、第三子数据和第四子数据，并对各子数据按照如下方式扩展后再移位：对于左移操作，在各子数据高位0扩展一倍位宽后进行左移位器操作；对于右移操作，在各子数据低位0扩展一倍位宽后进行右移位器操作。图5所示的第二移位器对第一移位器的移位结果进行补充移位。它包含了4个8位的左移位器和4个8位的右移位器，如图5所示，将第一移位器的结果按照字节划分为B1~B4，左移位器在数据高位扩展了8个0，右移位器在数据的低位扩展了8个0。对扩展后的16位数据进行移位，可以看到第二移位器的移位量始终小于8，第二移位器的将得到64位的移位结果。

进一步，第二移位器根据移位方向选择输出数据，对各子数据的移位结果由低到高分别记输出数据为第一输出子数据、第二输出子数据、第三输出子数据和第四输出子数据。

第一移位器移位量与第二移位器的移位量之和等于最终移位量。

移位结果封装器，接收第二移位器的移位结果，并依据输入的数据类型控制信息，对移位后的字节数据整合封装为最终移位结果。图6所示的移位结果封装器，将第二移位器得到的64位数据封装为最终的32位的移位结果，它包含了1个32位封装单元，1个16位封装单元，1个8位封装单元。下面根据不同数据元素宽度对封装单元一一介绍：

对于数据元素宽度为8的操作，对各输出子数据按如下方式进行封装：对于左移操作，直接舍弃第二移位器的各输出子数据的高8位扩展数据，保留低8位数据，具体实施如图6中的8位左移封装，舍弃了字节4’、字节3’、字节2’、 字节1’；对于右移操作，舍弃第二移位器的各输出子数据的低8位扩展数据，保留高8位数据，具体实施如图6中的8位右移封装，舍弃字节4、字节3、字节2、字节1，保留字节4’、字节3’、字节2’、 字节1’为封装的结果。最后，如图6所示，对于封装的结果进行最后的格式转换，转换的功能与上述的格式转换器一致，根据元素是否为有符号且右移做选择信号，选择是否将结果取反。

对于数据元素宽度为16位的操作，按照如下方式进行封装：对于左移的操作，舍弃第四输出子数据和第二输出子数据的高8位扩展位，将第四输出子数据低8位与第三输出子数据的高8位求或为结果第四字节，第三输出子数据的低8位为结果第三字节，第二输出子数据低8位与第一输出子数据高8位求或后为结果第二字节，第一输出子数据的低8位为结果第一字节，具体实施方式如图6中的16位左移封装所示，舍弃字节4’和字节2’，字节4与字节3’求或后为第四字节数据，字节3为第三字节的结果，字节2与字节1’求或后为第二字节数据，字节1为第一字节的结果；对于右移的操作，舍弃第三输出子数据和第一输出子数据的低8位，第四输出子数据高8位为结果第四字节，第四输出子数据的低8位与第三输出子数据的高8位求或后为结果第三字节，第二输出子数据的高8位为结果第二字节，第二输出子数据的低8为与第一输出子数据的高8位求或后为结果第一字节，具体实施方式如图6中的16位右移封装所示，舍弃字节3和字节1，字节4’为第四字节的结果，字节4与字节3’求或后为第三字节数据，字节2’为第二字节的结果，字节2与字节1’求或后为第一字节数据。最后，如图6所示，对于封装的结果进行最后的格式转换，转换的功能与上述的格式转换器一致，根据元素是否为有符号且右移做选择信号，选择是否将结果取反。

对于数据元素宽度为32位的操作，按照如下方式初步封装：对于左移的操作，舍弃第四输出子数据的高8位扩展位，第四输出子数据的低8位与第三输出子数据的高8位求或后为结果第四字节，第三输出子数据低8位与第二输出子数据的高8位求或后为结果第三字节，第二输出子数据低8位与第一输出子数据高8位求或后为结果第二字节，第一输出子数据低8位为结果第一字节，具体实施如图6中32位左移封装所示，舍弃图6所示字节4’，字节4与字节3’按位求或为第四字节的数据，字节3与字节2’按位求或为第三字节的数据，字节2与字节1’按位求或为第二字节的数据，字节1为第一字节的结果；对于右移的操作，舍弃第一输出子数据的低8位扩展位，第四输出子数据高8位为结果第四字节，第四输出子数据低8位与第三输出子数据高8位求或后为结果第三字节，第三输出子数据低8位与第二输出子数据高8位求或后为结果第二字节，第二输出子数据低8位与第一输出子数据高8位求或后为结果第一字节，舍弃图中的字节1，字节4’为第四字节数据，字节4与字节3’按位求或为第三字节的数据，字节3与字节2’按位求或为第二字节的数据，字节2与字节1’按位求或为第一字节的数据。最后，如图6所示，对于封装的结果进行最后的格式转换，转换的功能与上述的格式转换器一致，根据元素是否为有符号且右移做选择信号，选择是否将结果取反。

Claims (8)

1.一种支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，其特征在于：所述装置包括N个原子移位阵列，N为正整数，每个原子移位阵列支持32位数据宽度的移位操作，所述移位操作包括1个32位元素移位，即将32位数据当作一个32位整型操作数元素进行移位； 2个16位元素并行移位，即将32位数据当作2个16位整型操作数元素进行移位；和4个8位元素并行移位，即将32位数据当作4个8位整型操作数元素进行移位；

每个原子移位阵列包括：

格式转换器，用于依据输入的数据类型信息，对输入的32位原始数据进行格式转换；

第一移位器，用于接收格式转换器输出的32位数据，并依据输入的数据类型信息与移位量，对32位数据进行第一阶段移位；

第二移位器，用于接收第一移位器的输出结果，以字节为单位对数据进行第二阶段移位；

移位结果封装器，用于接收第二移位器的移位结果，并依据输入的数据类型控制信息，对移位后的字节数据整合封装为最终移位结果。

2.如权利要求1所述的支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，其特征在于：所述格式转换器中，格式转换如下：对于无符号左移操作，保持各个元素原数据不变；

对于有符号左移操作，保持各个元素原数据不变；

对于无符号右移操作，保持各个元素原数据不变；

对于有符号右移操作：

若元素为正数，则保持元素原数据不变； 若元素为负数，则将元素原数据取反。

3.如权利要求1或2所述的支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，其特征在于：所述第一移位器中，所述第一阶段移位对数据元素完成移位量为0/8/16/24/32的移位操作，具体操作方式如下：

当数据元素宽度为8位时，第一移位器不做操作；

当数据元素宽度为16位时，第一移位器分别对2个16位元素采取如下操作：

若元素移位量小于8，则第一移位器不做操作；

若元素移位量大于等于8，且小于16，则第一移位器移位8位；

若元素移位量大于等于16，则该第一移位器移位16位；

当数据元素宽度为32位时，第一移位器对32位元素采取如下操作：

若元素移位量小于8，则第一移位器不做操作；

若元素移位量大于等于8，且小于16，则第一移位器移位8位；

若元素移位量大于等于16，且小于24，则第一移位器移位16位；

若元素移位量大于等于24，且小于32，则第一移位器移位24位；

若元素移位量大于等于32，则该阶段移位32位。

4.如权利要求1或2所述的支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，其特征在于：所述第二移位器包括4个8bit的左移位器和右移位器，将32位输入数据划分为4个8位子数据，由低到高分别记为第一子数据、第二子数据、第三子数据和第四子数据，并对各子数据按照如下方式扩展后再移位：

对于左移操作，在各子数据高位0扩展一倍位宽后进行左移位器操作；

对于右移操作，在各子数据低位0扩展一倍位宽后进行右移位器操作。

5.如权利要求1或2所述的支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，其特征在于：所述第二移位器根据移位方向选择输出数据，对各子数据的移位结果由低到高分别记输出数据为第一输出子数据、第二输出子数据、第三输出子数据和第四输出子数据。

6.如权利要求5所述的支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，其特征在于：所述移位结果封装器中，对第二移位器四个输出子数据按照如下方式进行初步封装：

对于数据元素宽度为8的操作，对各输出子数据按如下方式初步封装：

对于左移操作，直接舍弃第二移位器的各输出子数据的高8位扩展数据，保留低8位数据；

对于右移操作，舍弃第二移位器的各输出子数据的低8位扩展数据，保留高8位数据；

对于数据元素宽度为16位的操作，按照如下方式初步封装：

对于左移的操作，舍弃第四输出子数据和第二输出子数据的高8位扩展位，将第四输出子数据低8位与第三输出子数据的高8位求或为结果第四字节，第三输出子数据的低8位为结果第三字节，第二输出子数据低8位与第一输出子数据高8位求或后为结果第二字节，第一输出子数据的低8位为结果第一字节；

对于右移的操作，舍弃第三输出子数据和第一输出子数据的低8位，第四输出子数据高8位为结果第四字节，第四输出子数据的低8位与第三输出子数据的高8位求或后为结果第三字节，第二输出子数据的高8位为结果第二字节，第二输出子数据的低8为与第一输出子数据的高8位求或后为结果第一字节。

对于数据元素宽度为32位的操作，按照如下方式初步封装：

对于左移的操作，舍弃第四输出子数据的高8位扩展位，第四输出子数据的低8位与第三输出子数据的高8位求或后为结果第四字节，第三输出子数据低8位与第二输出子数据的高8位求或后为结果第三字节，第二输出子数据低8位与第一输出子数据高8位求或后为结果第二字节，第一输出子数据低8位为结果第一字节；

对于右移的操作，舍弃第一输出子数据的低8位扩展位，第四输出子数据高8位为结果第四字节，第四输出子数据低8位与第三输出子数据高8位求或后为结果第三字节，第三输出子数据低8位与第二输出子数据高8位求或后为结果第二字节，第二输出子数据低8位与第一输出子数据高8位求或后为结果第一字节。

7.如权利要求1或2所述的支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，其特征在于：所述移位结果封装器中，对初步封装后的结果数据按照如下方式获取最终移位结果：

对于无符号左移操作，初步封装结果为最终结果；

对于有符号左移操作，初步封装结果为最终结果；

对于无符号右移操作，初步封装结果为最终结果；

对于有符号右移操作：

若元素为正数，初步封装结果为最终结果；

若元素为负数，初步封装结果取反后为最终结果。

8.如权利要求1或2所述的支持多种数据类型的单指令多数据移位装置，其特征在于：所述移位结果封装器中，第一移位器移位量与第二移位器的移位量之和等于最终移位结果。

Images