圖形圖像處理技術(shù)是信息處理領(lǐng)域中的一項(xiàng)熱門技術(shù),，在計(jì)算機(jī)視覺、氣象信息,、地球資源勘測等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1],。隨著人們對(duì)圖形圖像信息應(yīng)用需求的擴(kuò)大和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,，提高處理的速度成為了圖形圖像處理中需要解決的難點(diǎn)之一,。并行處理[2]是解決大規(guī)模圖形圖像處理問題的有效手段，但由于體積大,、功耗高和難以維護(hù)等特點(diǎn),，使以多處理系統(tǒng)為代表的很多圖形圖像處理系統(tǒng)難以得到廣泛應(yīng)用[3]。多態(tài)并行處理器實(shí)現(xiàn)了單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)和多指令多數(shù)據(jù)(MIMD)計(jì)算模式的混合,，其結(jié)構(gòu)簡單,，功耗低，同時(shí)在陣列機(jī)上分區(qū)并發(fā)實(shí)現(xiàn)該兩種模式,，并且能夠在兩種模式間實(shí)現(xiàn)一步轉(zhuǎn)換[4-5],。其中SIMD控制器能夠針對(duì)圖形圖像處理算法開發(fā)出更多的數(shù)據(jù)并行性[6],，提高圖形圖像的處理性能。

1 多態(tài)并行處理器
    本文設(shè)計(jì)了一種新型的多態(tài)并行處理器中的SIMD控制器,。該多態(tài)并行處理器是一個(gè)陣列機(jī),，由多個(gè)處理器簇組成，每個(gè)簇是由處理單元(PE)組成的二維陣列,，是一種較常見的陣列結(jié)構(gòu),，這種簇結(jié)構(gòu)可以分層次構(gòu)成。如圖1所示,一個(gè)基本簇是由16個(gè)PE組成的4×4陣列,，處理單元通過近鄰互聯(lián)組成二維陣列,。每一行有行控制器(RC)，每一列有列控制器(CC),，整個(gè)簇由簇控制器進(jìn)行控制,。
    多態(tài)并行處理器包含1個(gè)前端處理器、4個(gè)F簇,、4個(gè)S簇,、一些專用硬件加速器、一個(gè)帶有緩存的片上SRAM存儲(chǔ)和內(nèi)部互聯(lián)通道,，如圖2所示,。F簇處理單元包含浮點(diǎn)處理器和定點(diǎn)處理器，S簇只包含定點(diǎn)處理器,。
    如圖3所示,，單個(gè)處理單元由帶有路由器(RU)的ALU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(D-mem),、指令存儲(chǔ)(I-mem),、鄰接共享存儲(chǔ)和SIMD接口控制器(ICTL)構(gòu)成。

    在多態(tài)并行處理器中,，各PE的數(shù)據(jù)和程序的加載均由SIMD控制器控制,，SIMD控制器設(shè)計(jì)的好壞直接影響到各PE的執(zhí)行效率及并行度。
2 SIMD控制器的硬件設(shè)計(jì)
    SIMD控制器主要由1個(gè)簇控制器模塊,、4個(gè)行控制器模塊和4個(gè)列控制器模塊構(gòu)成,，如圖1所示。各模塊功能：簇控制器模塊主要完成整個(gè)簇中處理單元的控制,，包括協(xié)調(diào)程序和數(shù)據(jù)的加載以及控制整個(gè)簇實(shí)現(xiàn)SIMD計(jì)算,；行控制器模塊主要功能是將一行的PE重構(gòu)成SIMD模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)級(jí)并行計(jì)算以及初始化SIMD指令,；列控制器模塊主要完成對(duì)簇內(nèi)共享存儲(chǔ)和互聯(lián)數(shù)據(jù)通道的控制,。

    狀態(tài)跳轉(zhuǎn)說明如下：
    (1)IDLE：空閑狀態(tài)。接收到初始化請(qǐng)求后，跳轉(zhuǎn)至INIT_DATA狀態(tài),，開始加載數(shù)據(jù)/指令,。
    (2)INIT_DATA：初始化指令/數(shù)據(jù)到簇緩存狀態(tài)。簇緩存大小有限,，指令/數(shù)據(jù)的加載需分批進(jìn)行,，待當(dāng)前批的指令/數(shù)據(jù)加載完成后，跳轉(zhuǎn)到SEND_DATA狀態(tài),。
    (3)SEND_DATA：發(fā)送指令/數(shù)據(jù)狀態(tài),。指令/數(shù)據(jù)加載完成后，簇控制器將簇緩存中的指令/數(shù)據(jù)廣播給行,、列控制器,，若檢測到數(shù)據(jù)包頭信息為寫操作，則發(fā)送完相應(yīng)指令/數(shù)據(jù)后,，跳回IDLE狀態(tài),；若檢測到為讀操作，則跳轉(zhuǎn)至RD_DATA,。
    (4)RD_DATA：讀數(shù)據(jù)狀態(tài),。根據(jù)包頭所含數(shù)據(jù)大小信息，待接收完列控制器發(fā)送的所需數(shù)據(jù)后,，跳轉(zhuǎn)至IDLE狀態(tài),。
2.3 行控制器
    行控制器分為兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：一是初始化SIMD指令；二是將行控制器所在行的PE重構(gòu)成SIMD模式進(jìn)行數(shù)據(jù)并行計(jì)算,，如圖5所示,。

    各狀態(tài)說明如下：
    (1)IDLE：空閑狀態(tài)。若檢測到初始化使能及數(shù)據(jù)有效信號(hào),，則開始解析數(shù)據(jù)包,，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到RECV_INSTR_
PACK；若檢測到路由器請(qǐng)求信號(hào),，則跳轉(zhuǎn)到RECV_RT狀態(tài),，同時(shí)給路由器一個(gè)接收數(shù)據(jù)包響應(yīng)信號(hào)。
    (2)RECV_INSTR_PACK：接收指令包狀態(tài),。若數(shù)據(jù)經(jīng)檢測不是加載給本控制器,，則跳回至IDLE狀態(tài)；若是加載給本行控制器且是寫操作,，則跳轉(zhuǎn)到INIT狀態(tài),。
    (3)INIT：指令初始化狀態(tài),。指令加載完成后,，跳轉(zhuǎn)回IDLE狀態(tài)。
    (4)RECV_RT：接收路由器包狀態(tài)。若檢測到CALLC指令,，則給行控制器所在行的PE發(fā)送請(qǐng)求,，同時(shí)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到WAIT；若路由器傳來的數(shù)據(jù)包有誤,，則跳回IDLE狀態(tài),。
    (5)WAIT：等待狀態(tài)。給行控制器所在行的4個(gè)PE發(fā)送SIMD請(qǐng)求信號(hào)后,，PE停止取址,，待流水線中的指令排空且4個(gè)PE均返回了響應(yīng)信號(hào)后，跳轉(zhuǎn)至SEND_INSTR狀態(tài),。
    (6)SEND_INSTR：發(fā)送指令狀態(tài),。將從解析出的起始地址開始的指令同時(shí)發(fā)送給所在行的4個(gè)PE以執(zhí)行SIMD運(yùn)行模式，待檢測到RETC指令后,，停止發(fā)送指令,，給路由器發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，同時(shí)給4個(gè)PE一個(gè)結(jié)束信號(hào)(PE則繼續(xù)之前的MIMD取址),，此時(shí)跳轉(zhuǎn)到SEND_RT狀態(tài),。
    (7)SEND_RT：發(fā)送路由器包狀態(tài)。接收到路由器響應(yīng)信號(hào)后,，行控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包,，同時(shí)跳轉(zhuǎn)回IDLE狀態(tài)。
2.4 列控制器

    列控制器模塊的設(shè)計(jì)分為4個(gè)部分：(1)初始化程序/數(shù)據(jù)的加載,；(2)簇控制器對(duì)列控制器存儲(chǔ)中計(jì)算結(jié)果的讀?。?3)將PE計(jì)算結(jié)果寫入到列存儲(chǔ)中,；(4)從列存儲(chǔ)中動(dòng)態(tài)讀取數(shù)據(jù),。狀態(tài)機(jī)如圖6所示。

    各狀態(tài)說明如下：
    (1)IDLE：空閑狀態(tài),。若檢測到廣播的初始化使能及數(shù)據(jù)有效信號(hào),，則開始解析數(shù)據(jù)包，同時(shí)跳轉(zhuǎn)到RECV_PACK狀態(tài),；若檢測到路由器請(qǐng)求信號(hào),，則跳轉(zhuǎn)到RECV_RT_PACK狀態(tài)。
    (2)RECV_PACK：接收初始化數(shù)據(jù)包結(jié)束狀態(tài),。若檢測到不是發(fā)送給本列控制器的數(shù)據(jù),，則下一狀態(tài)跳轉(zhuǎn)回IDLE，繼續(xù)等待下一個(gè)廣播包頭,；否則,，若操作類為寫，則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到INIT_DATA，若為讀,，則跳轉(zhuǎn)到RD_DATA狀態(tài),。
    (3)INIT_DATA：初始化數(shù)據(jù)狀態(tài)。將初始化數(shù)據(jù)廣播給對(duì)應(yīng)列存儲(chǔ)和4個(gè)PE,，待初始化數(shù)據(jù)完成,，跳回IDLE狀態(tài)。
    (4)RD_DATA：讀數(shù)據(jù)狀態(tài),。根據(jù)包頭中信息,，簇控制器從列存儲(chǔ)讀取數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)讀取完成,，跳回IDLE狀態(tài),。
    (5)RECV_RT_PACK：接收路由器包頭狀態(tài)。開始接收由路由器傳來的數(shù)據(jù)包頭,，此時(shí)有兩種不同的數(shù)據(jù)包格式,，一種用于動(dòng)態(tài)讀取數(shù)據(jù)（MVF指令），另一種用于將數(shù)據(jù)寫入列存儲(chǔ)（MVT指令）,。若檢測到是MVT指令,，則跳轉(zhuǎn)到RECV_DATA狀態(tài)；若檢測到是MVF指令,，則跳轉(zhuǎn)到WAIT_ACK狀態(tài),。
    (6)RECV_DATA：將PE計(jì)算結(jié)果寫入列存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)寫入完成后,，跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài),。
    (7)WAIT_ACK：等待路由器響應(yīng)狀態(tài)。請(qǐng)求使用路由器傳輸數(shù)據(jù)后,，必須等待路由器空閑才能得到響應(yīng),，等到響應(yīng)信號(hào)后跳轉(zhuǎn)到SEND_DATA狀態(tài)。
    (8)SEND_DATA：發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài),。根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中包含的數(shù)據(jù)起始地址和大小動(dòng)態(tài)讀取列存儲(chǔ)內(nèi)數(shù)據(jù),，當(dāng)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)讀取完成后跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)。
    本文采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了SIMD控制器,，并對(duì)電路進(jìn)行了功能驗(yàn)證與DC綜合以及FPGA驗(yàn)證,。結(jié)果表明，SIMD控制器電路工作正常且電路具有良好的可擴(kuò)展性,，實(shí)用性強(qiáng),，能夠滿足多態(tài)并行處理器的要求。
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