JP4451733B2 - 半導体装置 - Google Patents

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    • G06F15/78Architectures of general purpose stored program computers comprising a single central processing unit
    • G06F15/7867Architectures of general purpose stored program computers comprising a single central processing unit with reconfigurable architecture

Description

本発明は、半導体装置に関し、詳しくは、動的に回路構成を再構成可能な半導体装置に関する。
従来、LSI等の半導体装置は、一般に要求仕様として予め決められた処理を実行するようにANDゲートやORゲート等の配置及びそれらに係る配線を設計工程で決定し、当該要求仕様に応じた処理を実行可能な半導体装置を製造している。つまり、従来の半導体装置において所望の機能を実現しようとする場合には、回路構成(論理構成)についての設計がゲート単位(ゲートレベル)で行われ、当該機能を実現する半導体装置が製造されている。
それに対して、製造後であっても、回路構成を再構成し実行する処理を変更可能にした半導体装置がある。この再構成可能な半導体装置は、機能変更が可能な複数の演算部を有し、CPUからの制御信号(コンフィグレーション情報)を受けて、それに応じて回路構成を再構成することで実行する処理を変更することが可能となっている。
このような従来の再構成可能な半導体装置では、図5に示すように予め決められた記憶容量のメモリ(RAM1〜RAM3)62−1〜62−3を複数配置し、ユーザーが要求する所望の機能を実現している。図5において、61はバス(セレクタ/レジスタ)であり、63は演算部である。なお、演算部63は、模式的に1つの演算器として図示しているが、実際には複数の回路(演算器等)で構成されている。
しかしながら、従来の再構成可能な半導体装置においては、図5に示したように複数のメモリ62−1〜62−3を有していても、1つのメモリに関して、そのメモリサイズを変更することができない。そのため、用途(アプリケーション)によってはアドレス領域の不足等の不都合が生じ、非常に使い勝手が悪い場合がある。
例えば、図5に示したメモリ62−1〜62−3がそれぞれ同じサイズの記憶容量を有するとし、メモリ62−1、62−2において使用しない領域があったとしても、その領域をRAM3として使用することはできない。また、例えば、メモリ62−1〜62−3が64ビットデータを入出力可能なメモリであるとき、演算部63にて128ビットデータが必要な場合には、一度で128ビット分を得ることができないので、まず64ビット分を読み出した後、メモリを切り換えて残りの64ビット分を読み出していた。
通常のボード設計など予め仕様が決定している場合には、無駄が生じないように当該仕様に合わせて最適なサイズのメモリを配置する。しかし、再構成可能な半導体装置などでは、製造後でも仕様変更できるように作製しており、対象とするアプリケーションが変更可能であるために最適なメモリサイズを決定することができない。したがって、再構成可能な半導体装置では、多くのメモリを有していても、それらが有効に活用されていない場合が多い。
従来の複数のプロセッサを用いた並列処理に係る分野においては、プロセッサが、スイッチによりメモリ構成を再構成して各ローカルメモリを最適化する技術や、バススイッチ網を介して相手のバッファメモリにアクセスする技術が開示されている(例えば、特許文献1、2参照。)。
特開平1−94469号公報 特開平5−108586号公報
本発明の目的は、動的に回路構成を再構成可能な半導体装置にて、使用するメモリのサイズを任意に変更できるようにすることである。
本発明の半導体装置は、複数のメモリと、複数の演算部と、第1及び第2の構成情報を出力する制御回路と、上記複数のメモリに接続され、第2の構成情報に応じて上記複数のメモリにより構成されるメモリ領域を再構成するメモリ再構成回路と、第1の構成情報に応じて上記メモリ再構成回路に接続される複数のメモリポートと上記複数の演算部とに接続されたバス制御回路とを有する。メモリ再構成回路は、第2の構成情報に応じて、上記複数のメモリのうちどのメモリを上記メモリポートのうちどのメモリポートに接続するかをクロック単位で動的に変更する
本発明によれば、制御回路から供給される構成情報に応じて、メモリ再構成回路によりメモリの割り当てが動的に変更されるので、使用目的に合わせてメモリ構成を再構成しメモリのサイズを任意に変更することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、図1を参照し、本発明の実施形態に係る原理について説明する。
図1(A)は、本実施形態における再構成可能な半導体装置の原理を説明するための図である。本実施形態における再構成可能な半導体装置は、シーケンサー(制御回路)1、バス(セレクタ/レジスタ)2、メモリ再構成回路3、複数のメモリ(ram)4−1〜4−5、及び複数の演算部5を有する。
シーケンサー1は、半導体装置を統括的に制御するものであり、バス2、メモリ再構成回路3、及び演算部5の回路構成を管理するとともに、それを動的に変更させる制御を行う。例えば、シーケンサー1は、動的に回路構成を変更できるようにするためのコンフィグレーション情報(構成情報)を生成する。バス2は、シーケンサー1から供給されるコンフィグレーション情報CI1により制御され、メモリ再構成回路3及び演算部5との間でデータを授受する。
メモリ再構成回路3は、シーケンサー1から供給されるコンフィグレーション情報CI2に応じて、メモリ領域を再構成する回路である。具体的には、メモリ再構成回路3は、コンフィグレーション情報CI2に基づき、上位側のメモリポート(以下、RAMポートと称す。)RP1〜RP3に対して、複数のメモリ(ram)4−1〜4−5のうち1つ又は併合した形での複数個のメモリがそれぞれ割り当てられるように切り換える。
演算部5は、シーケンサー1から供給されるコンフィグレーション情報に基づいて回路構成が変更され、バス2からの入力データを用いた演算処理を行う。
なお、図1(A)に示すように、各RAMポートRP1〜RP3は、アドレス信号AD、ライトデータ信号WD、及びリードデータ信号RDのやり取りが可能なように構成されている。また、メモリ再構成回路3と各メモリ4−1〜4−5とは、内部アドレス信号IAD、内部ライトデータ信号IWD、及び内部リードデータ信号RDを授受可能なように接続されている。
メモリ再構成回路3により再構成されたメモリ領域の一例を図1(B)に示す。図1(B)に示す例は、図1(A)に示した構成において、第1のRAMポートRP1に対してメモリ4−1、4−2(ram−a、ram−b)を配置し、第2のRAMポートRP2に対してメモリ4−3、4−4(ram−c、ram−d)を配置し、第3のRAMポートRP3に対してメモリ4−5(ram−e)を配置するようにした場合のものである。
すなわち、バス2側からは、ram−a(4−1)とram−b(4−2)とが組み合わされて1つのRAM1(6−1)として見え、同様にram−c(4−3)とram−d(4−4)とが組み合わされて1つのRAM2(6−2)として、ram−e(4−5)が1つのRAM3(6−3)として見える。このように、メモリ再構成回路3によりメモリ領域を再構成することで、メモリ外部(バス2側)から見たメモリは変えずに、目的に応じてメモリのサイズを変更し再構成することができる。
図2は、本実施形態における再構成可能な半導体装置の具体的な構成例を示す図である。図2に示すように、本実施形態における再構成可能な半導体装置は、シーケンサー(制御回路)11と演算処理部12を有する。
シーケンサー11は、外部(例えば外部バス13を介して接続されているプロセッサ)からの指示に応じて、当該半導体装置を統括的に制御するものであり、演算処理部12の回路構成を管理するとともに、それを動的に変更させる制御を行う。シーケンサー11は、アプリケーションに応じて動的に演算処理部12の回路構成を変更するためのコンフィグレーション情報を生成するとともに、当該コンフィグレーション情報が供給可能なように演算処理部12の各機能部と信号線を介して接続されている。
シーケンサー11は、状態制御回路21、状態レジスタ22、及びコンフィグレーションメモリ23を有する。
状態制御回路21は、予め設定された所定のシーケンスや演算処理部12からの状態遷移指示信号等に基づき、演算処理部12の状態(回路構成)を次状態に移すコンフィグレーション情報をコンフィグレーションメモリ23から読み出すためのコンフィグレーションメモリアドレス及びその読み出しタイミングを生成する。状態制御回路11によるコンフィグレーションメモリアドレスの生成は、状態レジスタ22に保持されている現在の状態を示す情報を参照して行われる。また、次状態に遷移する際に、状態レジスタ22に保持する情報は更新される。
コンフィグレーションメモリ23は、演算処理部12の回路構成を設定するコンフィグレーション情報を記憶する。すべてのコンフィグレーション情報は、動作開始前に外部からコンフィグレーションメモリ23に予め書き込まれ、状態毎に保持される。コンフィグレーションメモリ23に記憶されているコンフィグレーション情報は、状態制御回路21による制御に応じて読み出され、演算処理部12に出力される。
演算処理部12は、バス(セレクタ/レジスタ)31、メモリ再構成回路32、複数のメモリ(データメモリ)33−1〜33−5、及び複数の演算部34を有する。
バス31は、シーケンサー11から供給されるコンフィグレーション情報により制御される。バス31は、メモリ再構成回路32及び演算部34にそれぞれ接続され、メモリ再構成回路32及び演算部34との間でデータを授受する。
具体的には、バス31は、コンフィグレーション情報に応じて、演算部34にデータを供給したり、メモリ再構成回路32を介してメモリ33−1〜33−5に書き込むデータを供給したり、メモリ33−1〜33−5から読み出されたデータの供給を受けたりする。また、バス31は、データを一時的に保持するレジスタ機能を有しており、コンフィグレーション情報に応じて保持しているデータを出力可能に構成されている。
メモリ再構成回路32は、シーケンサー11からのコンフィグレーション情報に応じて、メモリ33−1〜33−5により構成されるメモリ領域を動的に再構成する。メモリ再構成回路32は、コンフィグレーション情報に応じて、各RAMポートに対するメモリ33−1〜33−5の割り当てを動的に変更する。このメモリ再構成回路32の構成についての詳細は後述する。
各メモリ33−1〜33−5は、演算処理部12での処理に係るデータ等を記憶するメモリである。各メモリ33−1〜33−5は、メモリ再構成回路32が行うメモリ領域の再構成により上位側のRAMポートに適宜割り当てられる。
各演算部34は、シフト回路(シフター)、ALU(算術論理演算装置)、及びセレクタ等(以下、説明の便宜上、これらを区別せずに単に演算器とも称す。)を用いて構成され、バス31から供給される入力データを用いて所定の演算を行って演算結果を出力する。なお、演算部34、具体的にはそれを構成する複数の演算器(1つであっても良い)は、使用するアプリケーションに応じて適宜選択、決定すれば良い。
演算部34は、シーケンサー11から供給されるコンフィグレーション情報に基づいて、それぞれ演算器の動作モードや演算器間の接続が設定される。つまり、演算部34は、これを単位としてコンフィグレーション情報に応じて回路構成が変更可能となっており、加算、乗算、ビット演算、及び論理演算(AND、OR、EOR)等をはじめとして所望の機能を実現するように各演算器等が制御される。
例えば、シフト回路であれば、シフト量、算術シフト処理、論理シフト処理、及びシフト処理後の所定ビットのマスク処理等が制御される。また、例えばAND(論理積演算)回路やOR(論理和演算)回路等を用いて構成されたALUであれば、それらを適宜組み合わせたりしてALU全体での回路(演算)機能が制御される。また、セレクタであれば、複数の入力のうち、いずれの入力を出力するかが制御される。さらには、これらシフト回路、ALU、及びセレクタ等の間の接続が制御される。
上述のように再構成可能な半導体装置は、シーケンサー11を備えることにより、いわゆるダイナミックリコンフィグレーションが可能であり、クロック単位で動的に回路構成を再構成することができる。例えば、メモリ再構成回路32によるメモリ領域の再構成もクロック毎に行うことが可能であり、クロック単位で動的にメモリ領域、つまりメモリ33−1〜33−5の割り当ての変更を行うことができる。また、例えば、演算処理部12は、シーケンサー11からのコンフィグレーション情報に基づき、あるクロック期間ではA機能を行い、次のクロック期間ではA機能とは異なるB機能を行うことができる。
図3は、メモリ再構成回路32の構成例を示す図である。
図3においては、説明の便宜上、メモリ再構成回路32に加えて、シーケンサー11、メモリ33−1、33−2、及びRAMポートRP1、RP2を図示している。
メモリ再構成回路は、各RAMポートRP1、RP2、…に対応して設けられたデコーダ41A、41B及びセレクタ44A、44Bを有する。また、メモリ再構成回路は、各メモリ33−1、33−2、…に対応して設けられたセレクタ42A、42B、43A、43B、45A、45Bを有する。
図3から明らかなように、RAMポートRP1とRP2に対応する部分は同様に構成され、またメモリ33−1と33−2に対応する部分も同様に構成されるので、以下の説明では、RAMポートRP1及びメモリ33−1に対応する部分を代表として説明する。
デコーダ41Aは、RAMポートRP1を介して入力されるアドレス信号AD1の所定ビット(例えば、アドレスAD1の上位数ビット)が供給され、それをデコードする。さらに、デコーダ41Aは、デコード結果に応じたデコード信号を各メモリ33−1、33−2、…に対応して設けられたセレクタ45A、45B、…に出力する。
セレクタ42Aは、各RAMポートRP1、RP2、…を介して入力されるアドレスAD1、AD2、…(但し、各デコーダに供給される所定ビットを除く)が供給される。セレクタ42Aは、供給されたアドレスAD1、AD2、…の中から1つのアドレスを選択し、メモリ33−1のアドレス入力端子adに出力する。
同様に、セレクタ43Aは、各RAMポートRP1、RP2、…を介して入力されるライトデータ信号WD1、WD2、…が供給され、その中から1つのライトデータを選択し、メモリ33−1のライトデータ入力端子wdに出力する。
また、セレクタ44Aは、各メモリ33−1、33−2、…から読み出される、すなわち各メモリのリードデータ出力端子rdより出力されるリードデータが供給される。セレクタ44Aは、供給されるリードデータの中から1つのリードデータを選択し、リードデータ信号RD1としてRAMポートRP1を介して出力する。
セレクタ45Aは、各デコーダ41A、41B、…から出力されるデコード信号が供給され、その中から1つのデコード信号を選択し、メモリ33−1のチップセレクト入力端子csに出力する。
なお、デコーダ41A、セレクタ42A、43A、44A、45Aは、シーケンサー11から供給されるコンフィグレーション情報に基づいて制御され、当該コンフィグレーション情報に応じてそれぞれ動的に回路構成が変更可能になっている。なお、メモリ33−1の制御信号(リード信号、ライト信号等)はシーケンサー11から供給される。
上記のようにメモリ再構成回路32を構成することで、アドレスAD1、AD2、…の所定ビットをデコードして得られたデコード信号が、セレクタ45A、45B、…を介してメモリ33−1、33−2、…のチップセレクトとして入力され、どのメモリを使用するかが決定される。例えば、メモリ33−1と33−2をマージした形で使用するとともに、アドレスAD1の最上位ビットの値が“0”のときにメモリ33−1にチップセレクトを供給し、最上位ビットの値が“1”のときにメモリ33−2にチップセレクトを供給するようにデコーダ41A及びセレクタ45A、45Bを制御することで、RAMポートRP1についてアドレス領域(アクセス可能なアドレス値の範囲)を拡張することができる。
また、アドレス、ライトデータ、及びリードデータに係るセレクタ42、43、44、45をシーケンサー11から供給されるコンフィグレーション情報に基づいて制御することで、どのRAMポートRP1、RP2、…を介して入力される信号を選択するか、あるいはどのRAMポートRP1、RP2、…に対して信号を出力するかを任意に選択することができ、各RAMポートRP1、RP2、…に対してどのようにメモリ33−1、33−2、…を割り当てるかを決定することができる。したがって、シーケンサー11から供給されるコンフィグレーション情報に応じて、メモリ領域を動的に再構成し、任意のメモリ構成を形成することができる。
以上、説明したように本実施形態によれば、メモリ再構成回路32が、コンフィグレーション情報に応じてRAMポートRPに対するメモリの割り当てを動的に変更し、複数のメモリ33−1〜33−5により構成されるメモリ領域を再構成するので、目的に応じてメモリ構成を形成しメモリのサイズを任意に変更することができる。
なお、上述した本実施形態では、5つのメモリ33−1〜33−5と、2つの演算部34を有する再構成可能な半導体装置を一例として示したが、メモリの数及び演算部の数はともに任意である。
また、上述した実施形態では、アドレス領域を拡張する場合を一例として示しているが、本発明はこれに限定されず、メモリ再構成回路32によりメモリ領域を再構成し、例えばRAMポートを介して入出力するデータのビット幅を変更するようにしても良い。このとき、例えばデータバス幅よりも入出力するデータの幅が小さい場合には、データバスにて冗長となる信号線に対しては、データ生成回路等を設けて予め定めた値を供給するようにすれば良い。
また、上述した実施形態では、1つのシーケンサー11と1つの演算処理部12とからなる再構成可能な半導体装置を一例として説明したが、例えば図4に示すような複数のクラスタを有する再構成可能な半導体装置に対しても本発明は適用可能である。
図4は、本実施形態における再構成可能な半導体装置の他の構成例を示す図である。
図4に示す再構成可能な半導体装置は、複数のクラスタ51−1、51−2、…、51−n(nは任意の自然数)、メモリ再構成回路55、及び複数のメモリ57からなるメモリ群56を有する。
ここで、クラスタは、シーケンサー52、バス(セレクタ/レジスタ)53、及び複数の演算部54で構成される。なお、シーケンサー52、バス53、及び演算部54は、図2に示したシーケンサー11、バス31、及び演算部34にそれぞれ相当するので説明は省略する。また、メモリ再構成回路55についても、複数のクラスタ51−1、51−2、…、51−nに対して外部に1つだけ設けるようにしただけで、何ら構成等は変わらないので説明は省略する。
図4に示すように、複数のクラスタ51−1、51−2、…、51−nがある場合でも、1つのメモリ再構成回路55を介してメモリ群56に対してアクセスするようにしたことで、各クラスタ51−1、51−2、…、51−nで使用するメモリのサイズを任意かつ動的に変更することが可能となる。
また、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本発明の諸態様を付記として以下に示す。
(付記1)構成情報に応じて動的に回路構成を再構成可能な半導体装置であって、
複数のメモリと、
上記構成情報を出力し当該半導体装置の状態を制御する制御回路と、
上記制御回路から供給される構成情報に応じて、上記複数のメモリにより構成されるメモリ領域を再構成するメモリ再構成回路とを備え、
上記メモリ再構成回路は、供給される上記構成情報に応じて、メモリポートに対する上記メモリの割り当てを動的に変更することを特徴とする半導体装置。
(付記2)上記メモリ再構成回路は、上記制御回路から供給される構成情報に応じて、上記メモリ領域を任意かつ動的に変更することを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記3)上記メモリ再構成回路は、上記制御回路から供給される構成情報に応じて、上記メモリポートに対し上記メモリを1つ又は複数個併合して割り当てることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記4)上記メモリ再構成回路は、上記メモリポートを介して入力されるアドレス信号をデコードするデコーダを有し、
当該デコーダによるデコード結果に応じて、使用する上記メモリを選択し決定することを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記5)上記デコーダは、上記制御回路から供給される構成情報に応じて回路構成が動的に変更可能であることを特徴とする付記4記載の半導体装置。
(付記6)上記デコーダは、入力される上記アドレス信号における上位の所定ビットをデコードすることを特徴とする付記4記載の半導体装置。
(付記7)上記メモリ再構成回路は、上記メモリポートを介して授受するアドレス信号、ライトデータ信号、及びリードデータ信号をそれぞれ選択する複数のセレクタを有することを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記8)上記複数のセレクタは、上記制御回路から供給される構成情報に応じて回路構成が動的に変更可能であることを特徴とする付記7記載の半導体装置。
(付記9)上記メモリ再構成回路は、上記メモリポートからのアドレス信号が入力されるデコーダ及び第1のセレクタと、上記メモリポートからのライトデータ信号が入力される第2のセレクタと、上記メモリからの読み出しデータに係るリードデータ信号を上記メモリポートに対して出力する第3のセレクタとを有することを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記10)上記メモリ再構成回路は、上記メモリ領域を再構成して上記メモリポートからアクセス可能なアドレス値の範囲を拡張することを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記11)上記メモリ再構成回路は、上記メモリ領域を再構成して上記メモリポートを介して入出力されるデータ幅を変更することを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記12)クロック毎に回路構成が動的に変更可能であることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記13)上記制御回路は、上記構成情報を記憶するコンフィグレーションメモリを有することを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記14)構成情報に応じて動的に回路構成を再構成可能な演算器と、
上記構成情報を出力し状態を制御する制御回路と
をそれぞれ有する複数の半導体回路と、
複数のメモリと、
上記制御回路から供給される構成情報に応じて、上記複数のメモリにより構成されるメモリ領域を再構成するメモリ再構成回路とを備え、
上記メモリ再構成回路は、供給される上記構成情報に応じて、上記半導体回路に対する上記メモリの割り当てを動的に変更することを特徴とする半導体装置。
本発明の実施形態に係る原理を説明するための図である。 本発明の実施形態における再構成可能な半導体装置の構成例を示す図である。 メモリ再構成回路の構成例を示す図である。 本実施形態における再構成可能な半導体装置の他の構成例を示す図である。 従来の再構成可能な半導体装置におけるメモリ構成を説明するための図である。
符号の説明
11 シーケンサー
12 演算処理部
21 状態制御回路
22 状態レジスタ
23 コンフィグレーションメモリ
31 バス
32 メモリ再構成回路
33−1〜33−5 メモリ
34 演算部

Claims (8)

  1. 構成情報に応じてクロック単位で動的に回路構成を再構成可能な半導体装置であって、
    複数のメモリと、
    複数の演算部と、
    第1及び第2の構成情報を出力し当該半導体装置の構成を制御する制御回路と、
    上記複数のメモリに接続され、上記第2の構成情報に応じて、上記複数のメモリにより構成されるメモリ領域を再構成するメモリ再構成回路と、
    上記第1の構成情報に応じて、上記メモリ再構成回路に接続される複数のメモリポートと上記複数の演算部とに接続されたバス制御回路とを備え、
    上記メモリ再構成回路は、上記第2の構成情報に応じて、上記複数のメモリのうちどのメモリを上記メモリポートのうちどのメモリポートに接続するかをクロック単位で動的に変更することを特徴とする半導体装置。
  2. 上記メモリ再構成回路は、上記制御回路から供給される第2の構成情報に応じて、メモリポートに対し上記メモリを1つ又は複数個併合して割り当てることを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  3. 上記メモリ再構成回路は、上記メモリポートを介して入力されるアドレス信号をデコードするデコーダを有し、
    当該デコーダによるデコード結果に応じて、使用する上記メモリを選択し決定することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。
  4. 上記デコーダは、入力される上記アドレス信号における上位の所定ビットをデコードすることを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  5. 上記メモリ再構成回路は、上記メモリポートを介して授受するアドレス信号、ライトデータ信号、及びリードデータ信号をそれぞれ選択する複数のセレクタを有することを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の半導体装置。
  6. 上記メモリ再構成回路は、上記メモリ領域を再構成して上記メモリポートからアクセス可能なアドレス値の範囲を拡張することを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の半導体装置。
  7. クロック毎に回路構成が動的に変更可能であることを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の半導体装置。
  8. 上記制御回路は、上記構成情報を記憶するコンフィギュレーションメモリを有することを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の半導体装置。
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