CN115665268B - 一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法，在与存算一体芯片进行数据交互时，将待发送数据中连续重复出现的字符行计数后编码发送，将其余不重复的字符直接发送；存算一体芯片利用数据传输装置中的数据发送模块对传输的数据进行编码和发送，数据接收模块对数据进行接收和解码。通过本发明方案对存算一体芯片进行改造，使数据发送和编码过程中重复字符数据得到大幅压缩，提升通信接口的可用带宽，避免带宽的浪费，同时降低数据传输的功耗。

Description

一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法

技术领域

本发明涉及计算机通信技术领域，尤其涉及一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法。

背景技术

随着人工智能技术的快速发展和应用，中央处理器和存储器之间需要进行大量且频繁的数据传输，所造成的存储墙和功耗墙的问题，成为了当今公认的传统冯.诺依曼架构体系中最大的瓶颈。为了突破传统冯.诺依曼架构中的以上瓶颈，存算一体架构被提了出来。这种系统架构不仅保留了存储电路本身具有的存储和读写功能，同时还可以支持不同的逻辑运算，从而在很大程度上减少了中央处理器和存储器之间频繁的数据传输和交换，进一步地降低了数据搬移量，提升了系统的能耗表现。

然而，在存算一体芯片消除了传统冯.诺依曼架构的存储墙和功耗墙问题之后，原本并不突出的数据传输功耗问题变得突出了起来。虽然存算一体芯片由于自身具备了存储和计算的功能，从而避免了频繁地内存访问，大幅地降低了内存数据传输带来的功耗，但是存算一体芯片并没有解决神经网络模型烧录和推理过程中，样本数据传输所带来的带宽和功耗问题。

目前的存算一体芯片通常依然是采用传统的通信接口，比如UART、SPI和IIC等接口。无论是采用哪一种通信接口，都将面临传输数据越多则功耗越高的问题。然而，与此同时一个存算一体芯片应用场景中经常遇到的现象，即存算一体芯片的输入输出数据往往是稀疏的矩阵数据，而这样的数据的信息熵值是非常低的。

此时，可以非常容易地想到通过压缩数据后再进行传输的方式，来提升其数据传输的带宽和能耗表现。但是传统的数据压缩方法（例如LZ77编码、哈夫曼编码和算术编码等），由于其运行逻辑复杂，导致编解码性能低下、传输延迟高。而且当需要在芯片中进行硬件实现的时候，还会存在实现复杂度高、功耗高且芯片面积大等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法。

第一方面，一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，存算一体芯片及其数据发送模块和数据接收模块，其特征在于，所述数据发送模块内置数据编码子模块，所述数据接收模块内置数据解码子模块，所述数据编码子模块将待发送数据当中连续重复出现的字符进行计数，对所述重复出现字符按照预设的数据格式进行编码发送，其余不重复的字符直接发送；所述数据解码子模块接收数据时对编码的重复数据进行解码，不重复数据直接接收当前字符；

所述数据编码子模块包括第一有限状态机，所述数据解码子模块包括第二有限状态机，第一有限状态机和第二有限状态机根据被触发的状态切换条件进行状态切换。

进一步，一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，所述第一有限状态机和第二有限状态机均包括“同态”和“异态”两种状态；其中，“异态”表示发送或接收数据流中相邻字符不同，“同态”表示发送或接收数据流中相邻字符相同。

进一步，一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，芯片启动时，所述第一有限状态机和第二有限状态机初始化为“异态”。

进一步，一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，所述第一有限状态机的状态切换条件包括：

切换条件A：当前字符与前一字符不同，保持“异态”；

切换条件B：当前字符与前一字符相同，由“异态”切换至“同态”；

切换条件C：当前字符与前一字符不同，由“同态”切换至“异态”；

切换条件D：当前字符与前一字符相同，保持“同态”。

进一步，一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，所述第二有限状态机状态切换条件包括：

切换条件A：当前字符与前一字符不同，保持“异态”；

切换条件B：当前字符与前一字符相同，“异态”切换至“同态”；

切换条件C：当前字符与前一字符不同，“同态”切换至“异态”。

进一步，一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，所述数据发送模块根据状态切换条件执行的切换操作包括：

切换条件A：在相邻字符不同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符不同，则直接发送当前字符；

切换条件B：在相邻字符不同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符相同，则重复数据计数器归零；

切换条件C：在相邻字符相同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符不同，则生成重复数据编码并发送；

切换条件D：在相邻字符相同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符相同，则重复数据计数器累加1。

进一步，一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，所述数据接收模块根据状态切换条件执行的切换操作包括：

切换条件A：在相邻字符不同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符不同，则直接接收当前字符；

切换条件B：在相邻字符不同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符相同，则接收重复数据编码并解码；

切换条件C：在相邻字符相同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符不同，则直接接收当前字符。

进一步，一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，所述数据格式包括：包括数据位、编码长度标识位和数据长度位；所述数据位指重复的字符，其尺寸为8比特，即一个字节；所述编码长度标识位为指示编码长度的标识符，其尺寸为2比特；所述数据长度位为表示重复字符长度的参数，其尺寸由编码长度标识位指示。

另一方面，一种适用于存算一体芯片的数据传输方法，由一种适用于存算一体芯片的数据传输装置执行，包括数据发送和数据接收步骤，所述数据发送步骤中对发送数据流中重复字符进行编码的数据编码步骤，以及对接收数据流中已编码的重复字符进行数据解码步骤，所述数据编码步骤包括以下子步骤：

数据发送模块与存算一体芯片进行数据交互，对待发送数据进行识别提取，当提取到第一个字符时，直接发送当前字符数据；

数据发送模块继续提取字符数据，对重复字符数据进行统计和固定格式编码发送，非重复数据则直接发送；

所述数据解码步骤包括以下子步骤：

数据接收模块接收固定格式编码数据和字符数据，并对编码数据进行解码。

一种适用于存算一体芯片的数据传输装置实现，包括数据编码和解码步骤：

数据发送模块与存算一体芯片进行数据交互，对待发送数据进行识别提取，当提取到第一个字符时，直接发送当前字符数据；

数据发送模块继续提取字符数据，对重复字符数据进行统计和固定格式编码发送，非重复数据则直接发送；

数据接收模块接收固定格式编码数据和字符数据，并对编码数据进行解码。

本发明的有益效果：本发明提出了一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法，在与存算一体芯片进行数据交互时，将待发送数据中连续重复出现的字符行计数后编码发送，将其余不重复的字符直接发送；存算一体芯片利用数据传输装置中的数据发送模块对传输的数据进行编码和发送，数据接收模块对数据进行接收和解码。通过本发明方案对存算一体芯片进行改造，使数据发送和编码过程中重复字符数据得到大幅压缩，提升通信接口的可用带宽，避免带宽的浪费，同时降低数据传输的功耗。

附图说明

图1是本发明提出的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置模块图；

图中，1-存算一体芯片，2-数据接收模块，3-数据发送模块；

图2是本发明提出的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法中数据发送模块有限状态机图；

图3是本发明提出的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法中数据发送模块对应状态切换操作图；

图4是本发明提出的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法中数据编码发送过程连续字符固定数据格式图；

图5是本发明提出的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法中数据编码发送过程连续字符固定数据格式中编码长度标识位含义图；

图6本发明提出的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法中数据接收模块有限状态机图；

图7是本发明提出的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法中数据接收模块对应状态切换操作图；

图8是本发明提出的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法原始数据与编码数据对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法，第一方面，数据传输装置包括存算一体芯片1及其数据发送模块3和数据接收模块2，所述数据发送模块3内置数据编码子模块，所述数据接收模块2内置数据解码子模块，所述数据编码子模块将待发送数据当中连续重复出现的字符进行计数，对所述重复出现字符按照预设的数据格式进行编码发送，其余不重复的字符直接发送；所述数据解码子模块接收数据时对编码重复数据编码进行解码，不重复数据直接接收当前字符。数据传输方法基于一种适用于存算一体芯片的数据传输装置实现，在与存算一体芯片进行数据交互时，将待发送数据中连续重复出现的字符行计数后编码发送，将其余不重复的字符直接发送；存算一体芯片利用数据传输装置中的数据发送模块对传输的数据进行编码和发送，数据接收模块对数据进行接收和解码，待发送的数据中只要存在连续重复的字符即可以得到大幅的压缩，从而在客观上提升通信接口的可用带宽，同时也降低了数据传输的功耗，克服传统的数据压缩和传输方法存在的性能低下、传输延迟高，在硬件实现中存在复杂度高、功耗高且芯片面积大等问题。

在本实施例中，如图1所示，一块存算一体芯片1存在一个数据发送模块3和一个数据接收模块2。其中的数据发送模块3将待发送的数据依次传输到对端器件，而数据接收模块2则负责接收对端器件发送来的数据，除此之外并没有其他功能。在本发明的技术方案当中，则需要对存算一体芯片当中的数据发送模块3和数据接收模块2进行改造。在数据发送模块3当中加入特定的数据编码功能，使数据发送模块3同时具备数据编码和发送功能。在数据接收模块2当中加入特定的数据解码功能，使数据接收模块2同时具备数据接收和解码功能。

在本实施例中，对于存算一体芯片当中的数据发送模块而言，其内置一个用于发送数据的有限状态机，其有限状态机图如图2所示。状态1表示相邻字符不同，即为“异态”，状态2表示相邻字符相同，即为“同态”。当芯片启动的时候，状态机初始化为状态1“异态”，即相邻字符不同的状态。与此同时，为了同时实现数据的编码和发送，还需要在状态切换的同时进行相应的操作，而状态切换和相应的操作如图3所示，切换条件包括：

切换条件A：当前字符与前一字符不同；

切换条件B：当前字符与前一字符相同；

切换条件C：当前字符与前一字符不同；

切换条件D：当前字符与前一字符相同。

在进行数据发送的过程中，当发生某个状态切换条件时，除了需要进行状态切换之外，还需要进行相应的切换操作，以实现数据的编码和发送的目的切换操作包括：

切换条件A：在相邻字符不同的状态下，保持状态1“异态”，如果检测到当前字符与上一字符不同，则直接发送当前字符；

切换条件B：在相邻字符不同的状态下，状态1“异态”切换为状态2“同态”，如果检测到当前字符与上一字符相同，则重复数据计数器归零；

切换条件C：在相邻字符相同的状态下，状态2“同态”切换为状态1“异态”，如果检测到当前字符与上一字符不同，则生成重复数据编码并发送；

切换条件D：在相邻字符相同的状态下，保持状态2“同态”，如果检测到当前字符与上一字符相同，则重复数据计数器累加1。

在本实施例中，当进行重复数据的编码时，数据格式遵循图4中的定义，重复字符数据固定格式包括数据位、编码长度标识位和数据长度位；数据位指重复的字符，其尺寸为8比特，即一个字节；所述编码长度标识位为指示编码长度的标识符，其尺寸为2比特；所述数据长度位为表示重复字符长度的参数，其尺寸由编码长度标识位指示。图5所示为编码长度标识位含义，如图，当编码长度标识位为二进制的0b00时，数据长度位数为6，其可表示的数据长度上限为2^6–1；当编码长度标识位为二进制的0b01时，数据长度位数为14，其可表示的数据长度上限为2^14–1；当编码长度标识位为二进制的0b10时，数据长度位数为30，其可表示的数据长度上限为2^30–1；当编码长度标识位为二进制的0b11时，数据长度位数为62，其可表示的数据长度上限为2^62–1。

在本实施例中，在进行数据接收的过程中，如图6所示数据接收有限状态机在状态1“异态”和状态2“同态”之间进行切换，而触发状态切换的条件分别为A、B和C，具体为：

切换条件A：当前字符与前一字符不同；

切换条件B：当前字符与前一字符相同；

切换条件C：当前字符与前一字符不同

在进行数据接收的过程中，当发生某个状态切换条件时，除了需要进行状态切换之外，还需要进行相应的切换操作，以实现数据的接收和解码的目的对应切换条件和切换操作如图7所示包括：

切换条件A：在相邻字符不同的状态下，保持状态1“异态”，如果检测到当前字符与上一字符不同，则直接接收当前字符；

切换条件B：在相邻字符不同的状态下，状态1“异态”切换为状态2“同态”，如果检测到当前字符与上一字符相同，则接收重复数据编码并解码；

切换条件C：在相邻字符相同的状态下，状态2“同态”切换为状态1“异态”，如果检测到当前字符与上一字符不同，则直接接收当前字符。

图8所示为本实施例中原始数据与编码数据对比图，使用本发明所提出的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法对数据进行编码和解码，从图中可以看出原始数据首先是连续17个0x30，接下来是不连续重复的0x48、0x4A和0x57，最后是连续325个0x31，共有345个字符，总尺寸为345字节。编码数据首先是0x30，0x30和0x0F，表示有连续17个0x30。接下来是不连续重复的0x48、0x4A和0x57。最后是0x31、0x31、0x41和0x43，表示有连续325个0x31。具体编码过程如下：

当提取到第一个字符0x30时，此时直接发送；继续提取第二个字符0x30，此时已经出现连续2个0x30，则开始统计连续出现0x30的个数。经过统计之后发现总共15个0x30（不包括前2个用来触发有限状态机切换的字符），则将连续15个0x30编码为二进制的0b00001111。0b00001111的前2个比特为0b00表示数据编码长度为6个比特，而后6个比特为0b001111表示重复字符的长度为0b001111，即十进制的15。

至此，便得到了编码数据的前3个字节0x30、0x30和0x0F。

继续提取第18个字符0x48，第19个字符0x4A，第20个字符0x57，均未出现相邻重复字符，因此只需要直接发送当前字符。

至此，便得到了编码数据的第4至第6个字符0x48、0x4A和0x57。

继续提取第21个字符0x31，此时还未出现相邻字符相同的状态，直接发送当前字符。继续提取第22个字符0x31，此时出现2个连续的0x31，则开始统计连续出现0x31的个数。经过统计之后发现总共323个0x31（不包括前2个用来触发有限状态机切换的字符），则将连续323个0x31编码为二进制的0b0100000101000011。0b0100000101000011的前2个比特为0b01表示数据编码长度为14个比特，而后14个比特为0b00000101000011表示重复字符的长度为0b00000101000011，即十进制的323。

至此，便得到了编码数据的最后四位0x31、0x31、0x41和0x43。

具体的解码过程如下：

提取第1个字符0x30，此时还未出现相邻字符相同的状态，直接接收当前字符。继续提取第2个字符0x30，此时出现2个连续的0x30，则接下来的数据必然是数据长度编码。继续提取第3个字符0x0F，首先提取出前2个比特为0b00，由此可知数据编码长度为6比特。提取接下来的6个比特为二进制的0b001111，即十进制的15，表示有连续15个0x30。至此，便得到了原始数据中的前17个连续的0x30。

继续提取第4个字符0x48，第5个字符0x4A，第6个字符0x57，均未出现相邻重复字符，因此只需要直接接收当前字符。至此，便得到了原始数据中的第18个到第20个字符。

继续提取第7个字符0x31，此时还未出现相邻字符相同的状态，直接接收当前字符。继续提取第8个字符0x31，此时出现了2个连续的0x31，则接下来的数据必然是数据长度编码。继续提取第9个字符0x41，提取前2个比特为0b01，由此可知数据编码长度为14比特。当前已经提取到的6比特数据还并不完整，继续提取第10个字符0x43，将此前提取到的6比特数据与当前提取到的8比特数据进行拼接合并，得到编码长度为0b00000101000011，即十进制的323，表示有连续323个连续的0x31。

根据本实施例内容，原始数据的总尺寸为345个字节，而经过编码之后进行发送的数据的总尺寸为10个字节，即经过编码后的数据总尺寸不到原始数据总尺寸的百分之三，这将大幅减少实际需要发送的数据量，提升通信接口的可用带宽，同时降低了数据的传输功耗。而且本发明的编解码逻辑非常简单，运算效率极高，在芯片当中进行硬件实现的时候的难度低，占用芯片面积小，由此带来的功耗也非常低。除此之外，由于本编解码的过程中，完全没有使用常规压缩和解压算法中常用的数据字典和字符频率统计等数据结构和算法，不需要对待发送数据进行任何的缓存和统计等复杂的处理，因此本发明在实际使用过程中没有任何的传输延迟。

本发明提出了一种适用于存算一体芯片的数据传输装置及方法，在与存算一体芯片进行数据交互时，将待发送数据中连续重复出现的字符行计数后编码发送，将其余不重复的字符直接发送；存算一体芯片利用数据传输装置中的数据发送模块对传输的数据进行编码和发送，数据接收模块对数据进行接收和解码。通过本发明方案对存算一体芯片进行改造，使数据发送和编码过程中重复字符数据得到大幅压缩，提升了通信接口的可用带宽，避免了带宽的浪费，同时降低数据传输的功耗。

本发明以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，包括存算一体芯片（1）及其数据发送模块（3）和数据接收模块（2），其特征在于，所述数据发送模块（3）内置数据编码子模块，所述数据接收模块（2）内置数据解码子模块，所述数据编码子模块将待发送数据当中连续重复出现的字符进行计数，对所述重复出现字符按照预设的数据格式进行编码发送，其余不重复的字符直接发送；所述数据解码子模块接收数据时对编码的重复数据进行解码，不重复数据直接接收当前字符；

所述数据编码子模块包括第一有限状态机，所述数据解码子模块包括第二有限状态机，第一有限状态机和第二有限状态机根据被触发的状态切换条件进行状态切换。

2.根据权利要求1所述的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，其特征在于，所述第一有限状态机和第二有限状态机均包括“同态”和“异态”两种状态；其中，“异态”表示发送或接收数据流中相邻字符不同，“同态”表示发送或接收数据流中相邻字符相同。

3.根据权利要求1所述的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，其特征在于，芯片启动时，所述第一有限状态机和第二有限状态机初始化为“异态”。

4.根据权利要求1所述的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，其特征在于，所述第一有限状态机的状态切换条件包括：

切换条件A：当前字符与前一字符不同，保持“异态”；

切换条件B：当前字符与前一字符相同，由“异态”切换至“同态”；

切换条件C：当前字符与前一字符不同，由“同态”切换至“异态”；

切换条件D：当前字符与前一字符相同，保持“同态”。

5.根据权利要求1所述的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，其特征在于，所述第二有限状态机状态切换条件包括：

切换条件A：当前字符与前一字符不同，保持“异态”；

切换条件B：当前字符与前一字符相同，“异态”切换至“同态”；

切换条件C：当前字符与前一字符不同，“同态”切换至“异态”。

6.根据权利要求4所述的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，其特征在于，所述数据发送模块（3）根据状态切换条件执行的切换操作包括：

切换条件A：在相邻字符不同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符不同，则直接发送当前字符；

切换条件B：在相邻字符不同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符相同，则重复数据计数器归零；

切换条件C：在相邻字符相同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符不同，则生成重复数据编码并发送；

切换条件D：在相邻字符相同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符相同，则重复数据计数器累加1。

7.根据权利要求5所述的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，其特征在于，所述数据接收模块（2）根据状态切换条件执行的切换操作包括：

切换条件A：在相邻字符不同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符不同，则直接接收当前字符；

切换条件B：在相邻字符不同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符相同，则接收重复数据编码并解码；

切换条件C：在相邻字符相同的状态下，如果检测到当前字符与上一字符不同，则直接接收当前字符。

8.根据权利要求1所述的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置，其特征在于，所述数据格式包括：包括数据位、编码长度标识位和数据长度位；所述数据位指重复的字符，其尺寸为8比特，即一个字节；所述编码长度标识位为指示编码长度的标识符，其尺寸为2比特；所述数据长度位为表示重复字符长度的参数，其尺寸由编码长度标识位指示。

9.一种适用于存算一体芯片的数据传输方法，由权利要求1至8任一项所述的一种适用于存算一体芯片的数据传输装置执行，包括数据发送和数据接收步骤，其特征在于，所述数据发送步骤中对发送数据流中重复字符进行编码的数据编码步骤，以及对接收数据流中已编码的重复字符进行数据解码步骤，所述数据编码步骤包括以下子步骤：

数据发送模块（3）与存算一体芯片（1）进行数据交互，对待发送数据进行识别提取，当提取到第一个字符时，直接发送当前字符数据；

数据发送模块（3）继续提取字符数据，对重复字符数据进行统计和固定格式编码发送，非重复数据则直接发送；

所述数据解码步骤包括以下子步骤：

数据接收模块（2）接收固定格式编码数据和字符数据，并对编码数据进行解码。

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