專利名稱：流水線處理器中的指令地址生成和跟蹤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流水線數(shù)字信號處理器，尤其涉及生成和跟蹤指令流水線中的各個指令的地址。
背景數(shù)字信號處理涉及采用數(shù)字形式的信號表現(xiàn)，以及使用數(shù)字計算來轉(zhuǎn)換或處理這種數(shù)字表現(xiàn)。在無線通信、聯(lián)網(wǎng)和多媒體等領(lǐng)域中，數(shù)字信號處理是當(dāng)今許多高科技產(chǎn)品廣泛使用的技術(shù)。數(shù)字信號處理技術(shù)流行的一個原因一直是開發(fā)了成本低且功能強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器(DSP)，數(shù)字信號處理器為工程師提供了可靠的計算能力以廉價并有效地實(shí)現(xiàn)這些產(chǎn)品。自從開發(fā)了第一種DSP以來，DSP的構(gòu)造和設(shè)計已發(fā)展到可以對視頻速率序列執(zhí)行十分復(fù)雜精密的實(shí)時處理的程度。
DSP經(jīng)常用于諸如數(shù)字視頻、成像和音頻之類的各種多媒體應(yīng)用。DSP可以對數(shù)字信號進(jìn)行操作，以創(chuàng)建和打開這類多媒體文件。
MPEG-1(運(yùn)動圖像專家組)、MPEG-2、MPEG-4和H.263是數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)和文件格式。這些標(biāo)準(zhǔn)通過主要存儲從一個視頻幀到另一個視頻幀的變化，而不是存儲每個完整的幀，來實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信號的高壓縮比。然后，可以使用許多不同的技術(shù)來進(jìn)一步壓縮視頻信息。
壓縮期間，可以使用DSP來對視頻信息執(zhí)行各種操作。這些操作可以包括運(yùn)動搜索和空間內(nèi)插算法。主要目的是測量相鄰幀內(nèi)的塊之間的失真。這些操作是計算密集的，可能要求高的數(shù)據(jù)吞吐量。
MPEG標(biāo)準(zhǔn)家族正在不斷發(fā)展，以跟上對多媒體應(yīng)用和文件的日益增加的帶寬要求。該標(biāo)準(zhǔn)的每個新版本都表現(xiàn)出更加復(fù)雜的算法，這些算法對適合MPEG的視頻處理設(shè)備中所用的DSP提出更多的處理要求。
視頻處理設(shè)備制造商經(jīng)常依靠為MPEG和H.263標(biāo)推下的視頻編碼定制的專用集成電路(ASIC)。但是，ASIC的設(shè)計復(fù)雜，造價昂貴，其應(yīng)用不如通用DSP靈活。


通過閱讀以下詳細(xì)的描述并參考附圖，本發(fā)明的這些和其他的特征與優(yōu)點(diǎn)將會更加一目了然。
圖1是根據(jù)一實(shí)施例的一種利用處理器的移動視頻設(shè)備的框圖。
圖2是根據(jù)一實(shí)施例的信號處理系統(tǒng)的框圖。
圖3是根據(jù)一實(shí)施例的一種替代的信號處理系統(tǒng)的框圖。
圖4說明了根據(jù)一實(shí)施例的圖1中的處理器的示范流水線站。
圖5說明了根據(jù)一實(shí)施例的包括程序計數(shù)(PC)生成邏輯的地址流水線。
圖6是描述根據(jù)一實(shí)施例的地址計算操作的流程圖。
詳細(xì)描述圖1說明了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的包括處理器的一種移動視頻設(shè)備100。移動視頻設(shè)備100可以是一種手持設(shè)備，它顯示產(chǎn)生于從天線105或數(shù)字視頻存儲介質(zhì)120(例如，數(shù)字化視頻光盤(DVD)或記憶卡)接收的編碼視頻信號的視頻圖像。處理器110與可以為處理器操作存儲指令和數(shù)據(jù)的存儲器115(可以是高速緩沖存儲器)進(jìn)行通信。處理器110可以是微處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)、控制從屬的DSP的微處理器、或具有混合式微處理器/DSP架構(gòu)的處理器。出于本申請的目的，處理器110在下文中將被稱作DSP110。
DSP110可以對編碼的視頻信號執(zhí)行各種操作，包括例如，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換、解調(diào)、濾波、數(shù)據(jù)恢復(fù)和解碼。DSP110可以根據(jù)各種數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(例如，MPEG標(biāo)準(zhǔn)家族和H.263標(biāo)準(zhǔn))之一來對壓縮的數(shù)字視頻信號解碼。然后，解碼的視頻信號可以輸入到顯示驅(qū)動器130，以便在顯示器125上生成視頻圖像。
手持設(shè)備的電源供給通常有限。此外，視頻解碼操作在計算上是密集的。因此，用于這種設(shè)備中的處理器最好速度較高、功率較低。
DSP110可以具有一種深流水線、負(fù)載/存儲架構(gòu)。通過采用流水線技術(shù)，相對于非流水線DSP而言，可以增強(qiáng)DSP的性能。流水線DSP不是獲取第一條指令，執(zhí)行該第一條指令，然后獲取第二條指令，而是使第二條指令的獲取和第一條指令的執(zhí)行同時發(fā)生，從而提高了指令吞吐量。此外，流水線DSP的時鐘周期可比非流水線DSP的時鐘周期短，在非流水線DSP中必須在同一時鐘周期內(nèi)獲取和執(zhí)行指令。
考慮這種DSP110可以用于視頻可攜式攝像機(jī)、電信會議、PC視頻卡和高清晰度電視(HDTV)。此外，DSP110也可以結(jié)合利用數(shù)字信號處理(例如，移動電話技術(shù)、語音識別中所用的語音處理)的其他技術(shù)和其他應(yīng)用來加以運(yùn)用。
現(xiàn)在參考圖2，示出了根據(jù)一實(shí)施例的包括DSP110的一種信號處理系統(tǒng)200的框圖。一個或多個模擬信號可以由外部源(例如，天線105)提供給信號調(diào)節(jié)器202。信號調(diào)節(jié)器202配置成對這些模擬信號執(zhí)行某些預(yù)處理功能。示范的預(yù)處理功能可包括將這些模擬信號中的幾個模擬信號混合在一起、濾波、放大等。如上所述，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)204可以被耦合，以便從信號調(diào)節(jié)器202接收經(jīng)預(yù)處理的模擬信號并將預(yù)處理過的模擬信號轉(zhuǎn)換為由采樣組成的數(shù)字信號。根據(jù)由信號調(diào)節(jié)器202所接收的模擬信號的特性所確定的采樣率來進(jìn)行采樣。DSP110被耦合以便接收ADC204的輸出端上的數(shù)字信號。DSP110可以對所接收的數(shù)字信號執(zhí)行所需的信號轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一個或多個輸出數(shù)字信號。數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)206被耦合，以便從DSP110接收輸出數(shù)字信號。DAC206將輸出數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為輸出模擬信號。然后，將輸出模擬信號傳遞給另一個信號調(diào)節(jié)器208。該信號調(diào)節(jié)器208可對輸出模擬信號執(zhí)行后處理功能。示范的后處理功能類似于以上所列出的預(yù)處理功能。這些設(shè)備的任何合適的配置都可以被耦合于具有DSP110的信號處理系統(tǒng)200中。
接下來參考圖3，示出了根據(jù)另一個實(shí)施例的一種信號處理系統(tǒng)300。在這個實(shí)施例中，數(shù)字接收器302配置成接收一個或多個數(shù)字信號，并將所接收的數(shù)字信號傳遞給DSP110。和圖2中所示的實(shí)施例一樣，DSP110可對所接收的數(shù)字信號執(zhí)行所需的信號轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生一個或多個輸出數(shù)字信號。被耦合以接收輸出數(shù)字信號的可以是數(shù)字信號發(fā)送器304。在一個示范應(yīng)用中，信號處理系統(tǒng)300可以是一種數(shù)字音頻設(shè)備，其中數(shù)字接收器302將表示存儲在數(shù)字存儲設(shè)備120上的數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳遞給DSP110。然后，DSP110可處理數(shù)字信號，并將所產(chǎn)生的輸出數(shù)字信號傳遞給數(shù)字發(fā)送器304。數(shù)字發(fā)送器304隨后可使這些輸出數(shù)字信號的值傳送到顯示驅(qū)動器130，以便在顯示器125上生成視頻圖像。
圖4所示的流水線可包括8個站，它們可包括指令獲取402-403、解碼404、地址計算405、執(zhí)行406-408以及反寫409這些站。指令i可在一個時鐘周期內(nèi)被獲取，然后在隨后的時鐘周期內(nèi)在流水線中被加以操作和執(zhí)行，與此同時，獲取新的指令(例如，i+1和i+2)。
流水線技術(shù)可能會引入額外的協(xié)調(diào)問題并有損于處理器的性能。程序流程中的跳轉(zhuǎn)可能會在流水線中產(chǎn)生空隙或“泡”。引起要采取條件轉(zhuǎn)移或要產(chǎn)生異?；蛑袛嗟那闆r可能會改變指令的順序流。發(fā)生這類事件后，可在連續(xù)的程序流之外獲取一條新的指令，使流水線中的其余的指令互不相關(guān)?？梢圆捎脭?shù)據(jù)發(fā)送、分支預(yù)測、以及將有效位與流水線中的指令地址相關(guān)聯(lián)之類的方法，來處理這些復(fù)雜情況。
圖5說明了生成并將每條指令的地址傳送到每個流水線站的地址流水線500。地址流水線500可對固定寬度或可變寬度的指令計算PC。地址流水線500包括對應(yīng)于各指令流水線站(例如，IF1、IF2、DEC等)的地址寄存器502-508。解碼(DEC)站中的程序計數(shù)(PC)多路復(fù)用器(MUX)510可以在寄存器503中的分支目標(biāo)地址與“下一條地址寄存器”512中的PC之間進(jìn)行選擇。如下文所述，根據(jù)一個實(shí)施例，該下一條地址寄存器512可包含由PC生成邏輯計算的PC。然后，所選擇的PC可在隨后的周期內(nèi)沿流水線而傳遞通過下游地址寄存器504-508。
圖6說明了根據(jù)一實(shí)施例的PC生成和跟蹤操作600。以下描述是執(zhí)行操作600的一個實(shí)施例。在其它實(shí)施例中，可以按不同的順序跳過或執(zhí)行各狀態(tài)。
對于程序流中的每次中斷，在狀態(tài)602，可將分支目標(biāo)地址存儲在地址寄存器502中。分支目標(biāo)地址可由分支單元響應(yīng)條件分支而提供，通過事件矢量表以獲取事件服務(wù)例行程序中的第一條指令，或者通過返回操作來提供分支目標(biāo)地址。分支目標(biāo)地址可在下一個周期被寫入地址寄存器503，在狀態(tài)606中，PC MUX510可從地址寄存器503中選擇分支目標(biāo)地址。在狀態(tài)610，指令解碼器514可對對應(yīng)于由PC MUX510選擇的PC的指令進(jìn)行解碼，并在狀態(tài)612中確定指令的寬度。指令的寬度可在IF2流水線站中得到預(yù)解碼。
根據(jù)解碼的指令寬度，MUX518可以分別對0位、16位、32位和64位指令選擇零(0)、二(2)、四(4)或八(8)的指令寬度。0位指令寬度可表示無效指令，例如，失效的指令或在停止?fàn)顟B(tài)被插入到流水線中的泡。然后，在下一個周期，可以用序列加法器520將所選擇的指令寬度加到由PC MUX510選擇的PC上，以計算對應(yīng)于程序流中下一連續(xù)指令的位置的“下一個”PC。這個計算出的PC可以存儲在所述下一條地址寄存器512中。
如果確定在狀態(tài)616中程序流沒有中斷，則PC MUX510可在狀態(tài)608中選擇存儲在所述下一條地址寄存器512中的已計算的PC。然而，如果在狀態(tài)616中確定了程序流中有中斷，則PC MUX510選擇存儲在地址寄存器502中的分支目標(biāo)地址，操作可返回到狀態(tài)602。
某些事件，例如中斷和異常，可能導(dǎo)致程序流中發(fā)生臨時中斷。這類事件可能會使流水線中某些剩余的指令無效。然而，一旦處理了中斷事件，可能希望返回到在發(fā)生該事件之前的流水線中的最老的有效指令，以便恢復(fù)原來的程序流。
根據(jù)一個實(shí)施例，地址流水線500(圖5)中的每個PC都可具有一相關(guān)聯(lián)的有效位。如果相關(guān)指令有效，則該有效位可具有“真”值，而如果相關(guān)指令無效，則它具有“假”值。有效位可存儲在對應(yīng)于各流水線站的有效位鎖存器或觸發(fā)器(FF)530-536中。當(dāng)發(fā)生中斷事件時，最老的有效位檢測器550可確定最老的有效位，因而確定流水線中最老的有效指令。與最老的有效位有關(guān)聯(lián)的PC可由“返回”MUX540來選擇，以存儲在“返回地址寄存器”542中。一旦處理了中斷事件，程序流就可在存儲在返回地址寄存器542中的PC處繼續(xù)。
一旦加載上述的PC生成邏輯，它就可以保持自我維護(hù)、完全流水線化并與指令流水線互鎖。
已描述了本發(fā)明的若干實(shí)施例。不過，將理解在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以進(jìn)行各種修改。因此，其它實(shí)施例處于下述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種對流水線中的可變寬度指令生成地址的方法，其特征在于包括在分支目標(biāo)地址與下一連續(xù)地址之間進(jìn)行選擇，該下一連續(xù)地址是從存儲的地址和流水線中第一條指令的指令寬度計算出的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括對對應(yīng)于分支目標(biāo)地址和下一連續(xù)地址兩者中所選擇的一個地址的第二指令進(jìn)行解碼；確定該第二指令的指令寬度；以及將指令的指令寬度加到分支目標(biāo)地址和下一連續(xù)地址兩者中的所選擇的一個地址上。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于可變寬度指令具有從16位、32位和64位寬度中選擇出的一種寬度。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括沿完全與第二指令互鎖的流水線傳遞從分支目標(biāo)地址和下一連續(xù)地址兩者中所選擇的一個地址。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括將一有效位與流水線中的每個地址相關(guān)聯(lián)；以及響應(yīng)于一個事件，存儲對應(yīng)于流水線中的最老有效位的地址。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于該事件是中斷。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于事件是異常。
8.一種裝置，其特征在于包括駐留在機(jī)器可讀介質(zhì)上的指令，用于對流水線中的可變寬度指令生成地址，這些指令使機(jī)器在分支目標(biāo)地址與下一連續(xù)地址之間進(jìn)行選擇，該下一連續(xù)地址是從存儲的地址和流水線中第一條指令的指令寬度計算出的。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于還包括一些指令，這些指令使機(jī)器對對應(yīng)于分支目標(biāo)地址和下一連續(xù)地址兩者中所選擇的一個地址的第二指令進(jìn)行解碼；確定該第二指令的指令寬度；以及將指令的指令寬度加到分支目標(biāo)地址和下一連續(xù)地址兩者中的所選擇的一個地址上。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于可變寬度指令具有從16位、32位和64位寬度中選擇出的一種寬度。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于還包括一些指令，這些指令使機(jī)器沿完全與第二指令互鎖的流水線傳遞從分支目標(biāo)地址和下一連續(xù)地址兩者中所選擇的一個地址。
12.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于還包括一些指令，這些指令使機(jī)器將一有效位與流水線中的每個地址相關(guān)聯(lián)；以及響應(yīng)于一個事件，存儲對應(yīng)于流水線中的最老有效位的地址。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于事件是中斷。
14.如權(quán)利要求12的裝置，其特征在于事件是異常。
15.一種用于生成流水線中的指令的地址的裝置，其特征在于包括對指令解碼的指令解碼器，所述指令具有一指令寬度；選擇電路，響應(yīng)于程序流中的中斷，在第一計算出的地址上選擇分支目標(biāo)地址；以及加法器，用于將指令的指令寬度加到由選擇電路選擇的地址上，以生成第二計算出的地址。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于流水線進(jìn)行操作，以傳遞可變寬度指令。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于可變寬度指令具有從16位、32位和64位寬度中選擇出的一種寬度。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于流水線中的每個地址都具有一相關(guān)聯(lián)的有效位，并且該裝置還包括在流水線中多個站中的每個站中的有效位檢測電路，以確定流水線中的最老有效位；以及返回寄存器，用于存儲與最老有效位相關(guān)聯(lián)的一個地址。
19.一種系統(tǒng)，其特征在于包括快閃存儲器；以及耦合到快閃存儲器并包括流水線的處理器，所述處理器適應(yīng)在分支目標(biāo)地址與下一連續(xù)地址之間進(jìn)行選擇，該下一連續(xù)地址是從存儲的地址和流水線中第一條指令的指令寬度計算出的。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于可變寬度指令具有從16位、32位和64位寬度中選擇出的一種寬度。
全文摘要
在一個實(shí)施例中，對應(yīng)于處理器(例如，數(shù)字信號處理器(DSP))中的指令流水線的地址流水線可以生成和跟蹤每個站中的每條指令的指令地址。地址流水線可包括程序計數(shù)(PC)生成邏輯，以根據(jù)連續(xù)程序流的當(dāng)前指令的寬度來自動計算下一條指令的PC。地址流水線還可跟蹤與每條指令相關(guān)聯(lián)的有效位，并存儲最老有效指令的地址，以便在中斷事件之后返回到原來的程序流。
文檔編號G06F9/30GK1470017SQ01816470
公開日2004年1月21日 申請日期2001年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者R·P·辛格, C·P·洛斯, G·A·奧弗坎普, R P 辛格, 奧弗坎普, 洛斯 申請人:英特爾公司, 模擬設(shè)備股份有限公司