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TECHNISCHES
UMFELD
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen VLIW-Prozessor, der
Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Funktionseinheiten; eine verteilte
Registerdatei mit einer Vielzahl von Segmenten, wobei die Funktionseinheiten
auf die verteilte Registerdatei zugreifen können; ein Kommunikationsmittel
für die Kommunikation
mit einem Speicher; ein Kommunikationsnetzwerk zur Kopplung der
funktionellen Einheiten mit der verteilten Registerdatei.
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HINTERGRUND
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Eine
Ausführungsform
des VLIW-Prozessors der erwähnten
Art ist in dem Dokument WO 00/33178 beschrieben.
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Ein
VLIW-Prozessor (Very Large Instruction Word) ermöglicht die Nutzung der Befehlsniveau-Parallelität in Programmen
und damit die Ausführung von
mehr als einem Befehl gleichzeitig. Ein VLIW-Prozessor nutzt mehrere
unabhängige
Funktionseinheiten, um mehrere Operationen parallel auszuführen. VLIW-Prozessoren
packen mehrere Funktionseinheit-Operationen in einen einzigen sehr
langen Befehl.
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Die
VLIW-Verarbeitung wird unter anderem eingeschränkt durch begrenzte Hardware-Ressourcen,
begrenzte Parallelität
und eine starke Zunahme der Codegröße. Begrenzte Hardware-Ressourcen können die
Funktionseinheiten, die Registerdatei oder das Kommunikationsnetzwerk
sein. Die Vorwegnahme dieser Einschränkungen durch Hinzufügen von
mehr Ressourcen hat einige ernsthafte Nachteile. Wenn zum Beispiel
die Anzahl der Funktionseinheiten vergrößert wird, müssen auch
die Speichergröße und die
Registerdatei-Bandbreite vergrößert werden.
Außerdem
werden sehr viele Lese- und Schreibports für den Zugriff auf die Registerdatei
benötigt,
was eine Bandbreite erfordert, die ohne großen Aufwand bezüglich der
Größe der Registerdatei und
eine Herabsetzung der Taktgeschwindigkeit schwer zu unterstützen ist.
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Bei
einigen Anwendungen, die auf dem VLIW-Prozessor ausgeführt werden
sollen, kann die einschränkende
Hardware-Ressource die Registerdatei sein. Es könnte eine große Registerdatei
verwendet werden, um dies zu verhindern. Dies hat jedoch mehrere
Nachteile. Erstens kann eine Registerdatei mit vielen Registern
kritische Zeitsteuerungswege schaffen und daher die Zykluszeit des
Prozessors begrenzen. Zweitens nimmt, wenn die Anzahl von direkt
adressierbaren Registern zunimmt, auch die Anzahl der Bits zum Spezifizieren
der mehreren Register innerhalb des Befehls zu. Drittens nimmt eine
Registerdatei mit vielen Registern eine große Chipfläche ein.
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In „Two-level
Hierarchical Register File Organization for VLIW processors" von Javier Zalema
et al., erschienen in Proceedings of the Annual ACM/IEEE Symposium
on Microarchitecture, Los Alamitos, CA: IEEE Comp. Soc., US (10-12-2000), Seite
137-146, wird das
Problem der knappen Registerressourcen gelöst, indem der Befehlssatz des VLIW-Prozessor
um Überlaufcode
erweitert wird, um den Druck auf die verfügbaren Register zu mildern. Daher
wird in dieser Abhandlung eine software-basierende Lösung für dieses
Problem beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, eine VLIW-Prozessorarchitektur zu schaffen,
die verhindert, dass die Registerdatei die einschränkende Hardware-Ressource
ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einem VLIW-Prozessor der beschriebenen Art gelöst, der
dadurch gekennzeichnet ist, dass der VLIW-Prozessor weiterhin Überlaufmittel
zum Übertragen
von Daten zwischen der verteilten Registerdatei und den Kommunikationsmitteln über die
Funktionseinheiten umfasst, wobei die Überlaufmittel eine Überlaufregisterdatei
und eine Überlaufeinheit
umfassen und die Überlaufeinheit
auf die Überlaufregisterdatei
zugreifen kann.
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Es
ist zu beachten, dass das Überlaufen
an sich bekannt ist, aber aus einem vollkommen anderen Gebiet der
Technologie, nämlich
aus der Compiler-Technologie. Das Prinzip besteht darin, dass wenn
ein Compiler Maschinencode generiert und es mehr Live-Variablen gibt als
die Maschine Register hat, einige Variablen von Registern in den
Speicher übertragen
werden oder „abfließen2.
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Die Überlaufmittel
besitzen die Fähigkeit, Werte
von der Registerdatei über
die Funktionseinheiten an die Kommunikationsmittel zu übertragen. Die Überlaufmittel
besitzen auch die Fähigkeit,
Werte wiederherzustellen, indem sie sie von den Kommunikationsmitteln
an die Registerdatei übertragen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
durch die Zugänglichkeit
der Überlaufregisterdatei
für die Über laufeinheit
verhindert wird, dass die Geschwindigkeit der Übertragung von Werten durch
die Überlaufmittel
an die Kommunikationsmittel die Taktfrequenz des Prozessors begrenzt.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines
der Segmente der verteilten Registerdatei einer Funktionseinheit
zugeordnet ist, die nicht in der Lage ist, Daten von dem Segment
der verteilten Registerdatei an die Überlaufmittel weiterzuleiten,
wobei der Funktionseinheit eine Weiterleitungseinheit zugeordnet ist,
um Daten von dem Segment der verteilten Registerdatei an die Überlaufmittel
weiterzuleiten. Falls eine Funktionseinheit, zum Beispiel eine ROM-Einheit,
nicht in der Lage ist, den Wert weiterzuleiten, der von der Registerdatei
abfließen
muss, kann dies die Weiterleitungseinheit tun.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsnetzwerk
ein teilweise verbundenes Kommunikationsnetzwerk umfasst. Ein Vorteil
dieser Ausführungsform
besteht darin, dass sie den Aufwand eines vollständig verbundenen Netzwerks
reduziert.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterleitungseinheit
Teil der zugehörigen
Funktionseinheit ist. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass keine
separate Weiterleitungseinheit erforderlich ist, wodurch man zusätzliche
Chipfläche
und Kommunikationsverbindungen spart.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNG
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Die
Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen
werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlicher
beschrieben.
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Die
einzelne Figur zeigt ein schematisches Diagramm eines VLIW-Prozessors gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezug
nehmend auf die Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einen
VLIW-Prozessor mit einer Vielzahl von Funktionseinheiten einschließlich der
Funktionseinheiten 1 und 3. Der Prozessor hat eine
verteilte Registerdatei 4 einschließlich der Registerdateisegmente 5, 7 und 9.
Die Funktionseinheit 1 kann aus dem Registerdateisegment 5 lesen.
Die Funktionseinheit 3 kann aus den Registerdateisegmenten 7 und 9 lesen.
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Der
Prozessor umfasst eine Kommunikationseinheit 11 für die Kommunikation
mit einem Speicher. Letzterer ist in dieser Figur nicht abgebildet.
Der Prozessor um fasst auch ein Kommunikationsnetzwerk 13,
z.B. einen Bus, der die Funktionseinheiten 1 und 3 und
die Registerdateisegmente 5, 7 und 9 koppelt.
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Außerdem umfasst
der Prozessor eine Überlaufvorrichtung 15.
Die Überlaufvorrichtung 15 und die
Registerdateisegmente 5, 7 und 9 sind über das Kommunikationsnetzwerk 13 gekoppelt.
Die Überlaufvorrichtung 15 und
die Funktionseinheiten 1 und 3 sind ebenfalls über das
Kommunikationsnetzwerk 13 gekoppelt. Die Überlaufvorrichtung 15 ermöglicht die Übertragung
von Werten von den Registerdateisegmenten 5, 7 und 9 über die
Funktionseinheiten 1 und 3 an die Kommunikationseinheit 11.
Außerdem kann
die Überlaufvorrichtung 15 Werte
wiederherstellen, indem sie sie von der Kommunikationseinheit 11 an
die Registerdateisegmente 5, 7 und 9 überträgt.
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Vorzugsweise
umfasst die Überlaufvorrichtung 15 eine Überlaufregisterdatei 17 und
eine Überlaufeinheit 19.
Die Überlaufeinheit 19 kann
von der Überlaufregisterdatei 17 gelesen
werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform
besteht darin, dass sie verhindert, dass die Geschwindigkeit, mit
der die Überlaufvorrichtung 15 Werte
an die Kommunikationseinheit 11 überträgt, die Taktfrequenz des Prozessors begrenzt.
In einigen Ausführungsformen
können Werte
vorübergehend
in der Überlaufregisterdatei 17 gespeichert
werden, ohne sie an die Kommunikationseinheit 11 zu übertragen.
Aus der Überlaufregisterdatei 17 können diese
Werte von der Überlaufeinheit 19 an
die Registerdateisegmente 5, 7 und 9 übertragen
werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform
besteht darin, dass sie die zeitraubenden Aktionen des Schreibens
von Werten an die Kommunikationseinheit 11 und des Wiederherstellens
von Werten von der Kommunikationseinheit 11 verhindert.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
hat der Prozessor ebenfalls eine Weiterleitungseinheit 21.
Die Weiterleitungseinheit 21 kann von dem Registerdateisegment 5 lesen,
und die Weiterleitungseinheit 21 sowie die Überlaufvorrichtung 15 sind über das
Kommunikationsnetzwerk 13 gekoppelt. Die Weiterleitungseinheit 21 ermöglicht das
Weiterleiten des Wertes, der von dem Registerdateisegment abfließen muss,
falls die Funktionseinheit 1 dazu nicht in der Lage ist.
In einigen Ausführungsformen
werden mehrere Weiterleitungseinheiten vorhanden sein, in anderen
Ausführungsformen
keine. Eine Weiterleitungseinheit kann einer Funktionseinheit zugeordnet werden,
wenn diese Funktionseinheit, z.B. eine ROM-Einheit, nicht in der
Lage ist, einen Wert von einem Registerdateisegment weiterzuleiten.
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In
der in dieser Figur abgebildeten Ausführungsform ist die Weiterleitungseinheit 21 eine
separate Einheit, die der Funktionseinheit 1 zugeordnet ist.
In einigen Aus führungsformen
kann die Weiterleitungseinheit 21 Teil der zugehörigen Funktionseinheit 1 sein,
indem eine zusätzliche
Operation zu dieser Funktionseinheit hingefügt wird, die die Weiterleitung
eines Wertes von einem Registerdateisegment erlaubt.
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Die
Funktionseinheiten können
mit einem Registerdateisegment gekoppelt sein, wie im Fall der Funktionseinheit 1,
oder mit mehreren Registerdateisegmenten, wie im Fall der Funktionseinheit 3.
Die Registerdateisegmente können
mit einer Funktionseinheit oder mit mehreren Funktionseinheiten
gekoppelt sein. Der Grad der Kopplung zwischen den Registerdateisegmenten
und den Funktionseinheiten kann von der Art der Operationen abhängen, die
die Funktionseinheit auszuführen
hat.
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Das
Kommunikationsnetzwerk 13 koppelt die Funktionseinheiten 1 und 3 und
die Registerdateisegmente 5, 7 und 9.
Die in dieser Figur abgebildete Ausführungsform hat ein vollständig verbundenes Kommunikationsnetzwerk,
was bedeutet, dass jede Funktionseinheit 1 und 3 mit
jedem Registerdateisegment 5, 7 und 9 gekoppelt
ist. In einigen Ausführungsformen
ist das Kommunikationsnetzwerk 13 teilweise verbunden,
so dass nicht jede Funktionseinheit 1 und 3 mit
jedem Registerdateisegment 5, 7 und 9 gekoppelt
ist. Ein Vorteil eines teilweise verbundenen Netzwerks im Vergleich
zu einem vollständig
verbundenen Netzwerk besteht darin, dass es weniger aufwändig in
Hinblick auf die Chipfläche
ist und eine höhere
Taktfrequenz des Prozessors erlaubt.
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Die
Funktionseinheiten 1 und 3 sowie die Weiterleitungseinheit 21 sind
mit der Überlaufvorrichtung 15 gekoppelt.
In der in dieser Figur abgebildeten Ausführungsform sind diese Kopplungen
Teil des Kommunikationsnetzwerks 13. In einigen Ausführungsformen
können
eine oder mehrere dieser Kopplungen separat vorliegen.
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Die Überlaufvorrichtung 15 ist
mit den Registerdateisegmenten 5, 7 und 9 gekoppelt.
In der in dieser Figur abgebildeten Ausführungsform können eine oder
mehrere dieser Kopplungen separat vorliegen.
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Es
ist zu beachten, dass die oben genannten Ausführungsformen die Erfindung
eher veranschaulichen statt sie einzuschränken, und dass der Fachkundige
in der Lage sein wird, viele alternative Ausführungsformen zu entwerfen,
ohne vom Umfang der angehängten
Ansprüche
abzuweichen. In den Ansprüchen
sind in Klammern gesetzte Bezugszeichen nicht als die Erfindung
einschränkend
zu betrachten. Die Verwendung des Wortes "umfassen" (Englisch: "comprising") schließt das Vorhandensein von anderen
als in einem Anspruch Ansprüchen
erwähnten Elementen
oder Schritten nicht aus. Die Verwendung des Wortes "ein" oder "eine" (Englisch: "a" or "an") vor einem Element
schließt
das Vorhan densein einer Vielzahl (mehrerer) derartiger Elemente
nicht aus. In dem die Vorrichtung betreffenden Anspruch, in dem mehrere
Mittel genannt werden, können
mehrere dieser Mittel durch ein und dasselbe Hardware-Element verkörpert sein.
Die bloße
Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen
in sich voneinander unterscheidenden abhängigen Ansprüchen genannt
werden, bedeutet nicht, dass nicht eine Kombination dieser Maßnahmen
vorteilhaft eingesetzt werden kann.