支持单指令流与多指令流动态切换执行的方法及微处理器

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的支持单指令流与多指令流动态切换执行的方法采用标量单元2和向量单元3执行来自指令发射部件1的指令，其实施步骤如下：首先标量单元2和向量单元3在默认的单指令流模式下执行来自指令发射部件1的同一个指令流，当向量单元3执行目标循环体时，标量单元2完成目标循环体的初始化、控制目标循环体指令进行缓存并切换为多指令流模式，然后向量单元3执行缓存的目标循环体指令，同时标量单元2执行与目标循环体无关联的标量指令流，并最后在向量单元3执行目标循环体完毕时切换为单指令流模式。

本实施例中采用两条指令用于指令流执行模式的切换：SWITCH R_OS和SWITCH_B R_NOS。SWITCH R_OS指令完成单指令流模式向多指令流模式的切换。具体的操作是：保存当前执行现场、恢复R_OS指向的与目标循环体无关联的标量指令流现场，并将指令流切换单元中的执行模式选择部件配置为多指令流模式执行。SWITCH_B R_NOS指令完成多指令流模式向单指令流模式的切换。具体的操作是：保存当前执行现场；恢复R_NOS指向的单指令流执行现场，并将指令流切换单元中的执行模式选择部件配置为单指令流模式执行。

切换为多指令流模式时，标量单元2首先保存当前的单指令流模式执行现场、恢复与目标循环体无关联的标量指令流执行现场，然后配置向量单元3选择执行缓存的目标循环体指令。向量单元3执行目标循环体完毕时，向量单元3向标量单元2发送中断信号，标量单元2收到中断信号后，首先保存与目标循环体无关联的标量指令流执行现场、恢复单指令流模式执行现场，然后配置向量单元3选择执行来自指令发射部件1的向量指令并切换为单指令流模式。通过微处理器在单指令流模式和多指令流模式之间的动态切换，从而可以有效提高微处理器的处理速度和执行效率。

本发明的目标循环体指运行时间较长、运行较为独立（仅仅在循环的初始化、循环过程控制以及循环完毕后才需要标量单元2的配合，循环过程中不需要标量单元2的配合）的循环体，而循环体在微处理器中一般是通过向量单元3进行处理，因此目标循环体也仅由向量单元3执行，且循环过程中不需要标量单元2的配合。如果所判断的执行程序不属于目标循环体，则采用单指令流模式执行，否则采用单指令流模式与多指令流模式动态切换执行，本实施例的单指令流与多指令流执行动态切换的方式的详细步骤如下：

1）单指令流模式执行并判断执行程序，在单指令流模式下，指令发射部件1为标量单元2、向量单元3统一提供标量、向量指令，针对每个执行程序进行判断是否属于目标循环体，如果不是则保持单指令流模式执行，否则首先完成目标循环体的第一次执行，并将目标循环体指令写入缓存，跳转执行步骤2）；

2）切换为多指令流模式，标量单元2执行SWITCH R_OS指令切换为多指令流模式，并同时保存当前的单指令流模式执行现场，恢复R_OS所指向的与目标循环体无关联的标量指令流执行现场，然后配置向量单元3选择执行被缓存的目标循环体指令；

3）多指令流模式执行，向量单元3通过读取被缓存的目标循环体指令来继续执行目标循环体，同时标量单元2执行与目标循环体无关联的标量指令流；

4）切换为单指令流模式，向量单元3执行目标循环体完毕时，向量单元3向标量单元2发送中断信号，标量单元2收到中断信号后，首先保存与目标循环体无关联的标量指令流执行现场、恢复单指令流模式执行现场，然后配置向量单元3执行来自指令发射部件1的向量指令并执行SWITCH_B R_NOS指令切换为单指令流模式，返回执行步骤1）。

如图2所示，本发明实施例的支持单指令流与多指令流动态切换执行的微处理器包括指令发射部件1和分别与指令发射部件1相连的标量单元2、向量单元3，指令发射部件1用于向标量单元2和向量单元3分配指令，标量单元2和向量单元3相连，向量单元3用于执行循环体，标量单元2用于执行循环体的初始化、循环过程控制、循环完毕后的控制以及切换微处理器的工作模式，指令发射部件1通过指令流切换单元4与向量单元3相连，标量单元2在完成目标循环体的初始化、控制目标循环体进行指令缓存后，切换工作模式为多指令流模式，在多指令流模式下标量单元2执行与向量单元3执行的目标循环体无关联的标量指令，指令流切换单元4获取指令发射部件1分配的向量指令并负责执行向量单元3的循环过程控制、并在向量单元3执行目标循环体完毕时向标量单元2发送中断信号，标量单元2根据中断信号切换工作模式为单指令流模式。

指令发射部件1向标量单元2分配标量指令、向向量单元3分配向量指令。标量单元2由标量处理器21与标量缓存22组成，标量单元2主要负责标量任务处理、程序流控、及循环控制的处理。向量单元3由向量处理器阵列31、向量存储体32组成，向量单元3主要面向计算密集型的向量处理，例如循环体的处理执行。

如图3所示，指令流切换单元4包括控制部件41、指令缓存部件42和执行模式选择部件43，指令缓存部件42用于缓存向量单元3的目标循环体指令，执行模式选择部件43在工作模式为单指令流模式时选定指令发射部件1作为向量单元3的指令输入部件、在工作模式为多指令流模式时选定指令缓存部件42作为向量单元3的指令输入部件，控制部件41控制将指令发射部件1的目标循环体指令写入指令缓存部件42，并在向量单元3执行循环过程中控制向量单元3从指令缓存部件42中读取目标循环体指令。

如图4所示，控制部件41包括专用寄存器组411、写指令缓存控制部件412和读指令缓存控制部件413，专用寄存器组411缓存指令缓存部件42的状态、向量单元3执行目标循环体的位置信息以及向量单元3所执行目标循环体的循环次数，写指令缓存控制部件412用于在向量单元3第一次执行目标循环体时将目标循环体指令写入指令缓存部件42，读指令缓存控制部件413在多指令流模式时控制向量单元3从指令缓存部件42中读取目标循环体指令、修正所执行目标循环体对应专用寄存器组411中的循环次数，并在所执行目标循环体的循环次数为零时向标量单元2发送中断信号。

本实施例中，执行模式选择部件43由标量单元2进行配置，标量单元2通过执行SWITCH R_OS指令完成单指令流模式向多指令流模式切换，通过执行SWITCH_B R_NOS指令完成多指令流模式向单指令流模式切换。

执行模式选择部件43收到SWITCH R_OS切换为多指令流模式，并选定指令发射部件1作为向量单元3的指令输入部件，写指令缓存控制部件412用于在向量单元3第一次执行目标循环体时将目标循环体指令写入指令缓存部件42，使得目标循环体在第一遍执行完成之后，目标循环体指令就已经存储到指令缓存部件42中，然后向量单元3从指令缓存部件42中读取目标循环体指令，此时因此向量单元3执行循环过程中不需要标量单元2的配合，因此在多指令流模式下标量单元2可以同时执行与向量单元3执行的目标循环体无关联的标量指令，从而可以实现同时处理多指令流，提高微处理器的处理性能。

本实施例中，专用寄存器组411的相关信息由标量单元2进行配置，用于缓存指令缓存部件42的写使能、读使能状态、指令缓存部件42中目标循环体指令的起始位置、结束位置信息、循环次数寄存器。写指令缓存控制部件412在指令缓存部件42的写使能有效的情况下，控制指令缓存部件42的写指针顺序增1。读指令缓存控制部件413在指令缓存部件42的读使能有效的情况下，进行指令缓存部件42的读取控制，指令缓存部件42的读过程从起始位置寄存器中所指的指令缓存单元开始，每拍依次读取一条指令，当读到结束位置寄存器中所指的指令缓存单元时，将循环次数寄存器的值减1，如果此时循环次数寄存器的值为0，标志着完成了目标循环体的执行过程，则向标量单元2发送中断信号；否则，从起始位置寄存器所指的指令缓存单元开始，继续指令的读取。

如图5所示，在单指令流模式的执行状态下，标量单元2、向量单元3共同执行来自指令发射部件1的标量、向量指令，当处理运行时间较长且运行较为独立的目标循环体任务时，标量单元2在第一次循环开始之前，使能指令流切换单元4中指令缓存部件42的写操作，从而在向量单元3执行第一次循环的同时将目标循环体指令写入该指令缓存部件42，在第一次循环执行完毕后，指令缓存部件42中刚好存放了目标循环体指令。此时标量单元2通过执行SWITCH R_OS指令将执行模式切换为多指令流模式执行。在该模式下，标量单元2从指令发射部件1获取标量指令，向量单元3从向指令流切换单元4中的指令缓存部件42中获取指令。向量单元3在完成目标循环体的执行后，向标量单元2发送中断，请求将执行模式恢复到单指令流模式，标量单元2通过在中断服务程序中执行SWITCH_B R_NOS指令，将执行模式重新切换为单指令流模式。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。