圖形圖像處理技術是信息處理領域中的一項熱門技術，在計算機視覺、氣象信息、地球資源勘測等領域得到廣泛的應用[1]。隨著人們對圖形圖像信息應用需求的擴大和計算機技術的飛速發展，提高處理的速度成為了圖形圖像處理中需要解決的難點之一。并行處理[2]是解決大規模圖形圖像處理問題的有效手段，但由于體積大、功耗高和難以維護等特點，使以多處理系統為代表的很多圖形圖像處理系統難以得到廣泛應用[3]。多態并行處理器實現了單指令多數據(SIMD)和多指令多數據(MIMD)計算模式的混合，其結構簡單，功耗低，同時在陣列機上分區并發實現該兩種模式，并且能夠在兩種模式間實現一步轉換[4-5]。其中SIMD控制器能夠針對圖形圖像處理算法開發出更多的數據并行性[6]，提高圖形圖像的處理性能。

1 多態并行處理器
    本文設計了一種新型的多態并行處理器中的SIMD控制器。該多態并行處理器是一個陣列機，由多個處理器簇組成，每個簇是由處理單元(PE)組成的二維陣列，是一種較常見的陣列結構，這種簇結構可以分層次構成。如圖1所示,一個基本簇是由16個PE組成的4×4陣列，處理單元通過近鄰互聯組成二維陣列。每一行有行控制器(RC)，每一列有列控制器(CC)，整個簇由簇控制器進行控制。
    多態并行處理器包含1個前端處理器、4個F簇、4個S簇、一些專用硬件加速器、一個帶有緩存的片上SRAM存儲和內部互聯通道，如圖2所示。F簇處理單元包含浮點處理器和定點處理器，S簇只包含定點處理器。
    如圖3所示，單個處理單元由帶有路由器(RU)的ALU、數據存儲(D-mem)、指令存儲(I-mem)、鄰接共享存儲和SIMD接口控制器(ICTL)構成。

    在多態并行處理器中，各PE的數據和程序的加載均由SIMD控制器控制，SIMD控制器設計的好壞直接影響到各PE的執行效率及并行度。
2 SIMD控制器的硬件設計
    SIMD控制器主要由1個簇控制器模塊、4個行控制器模塊和4個列控制器模塊構成，如圖1所示。各模塊功能：簇控制器模塊主要完成整個簇中處理單元的控制，包括協調程序和數據的加載以及控制整個簇實現SIMD計算；行控制器模塊主要功能是將一行的PE重構成SIMD模式，進行數據級并行計算以及初始化SIMD指令；列控制器模塊主要完成對簇內共享存儲和互聯數據通道的控制。

    狀態跳轉說明如下：
    (1)IDLE：空閑狀態。接收到初始化請求后，跳轉至INIT_DATA狀態，開始加載數據/指令。
    (2)INIT_DATA：初始化指令/數據到簇緩存狀態。簇緩存大小有限，指令/數據的加載需分批進行，待當前批的指令/數據加載完成后，跳轉到SEND_DATA狀態。
    (3)SEND_DATA：發送指令/數據狀態。指令/數據加載完成后，簇控制器將簇緩存中的指令/數據廣播給行、列控制器，若檢測到數據包頭信息為寫操作，則發送完相應指令/數據后，跳回IDLE狀態；若檢測到為讀操作，則跳轉至RD_DATA。
    (4)RD_DATA：讀數據狀態。根據包頭所含數據大小信息，待接收完列控制器發送的所需數據后，跳轉至IDLE狀態。
2.3 行控制器
    行控制器分為兩個部分進行設計：一是初始化SIMD指令；二是將行控制器所在行的PE重構成SIMD模式進行數據并行計算，如圖5所示。

    各狀態說明如下：
    (1)IDLE：空閑狀態。若檢測到初始化使能及數據有效信號，則開始解析數據包，狀態跳轉到RECV_INSTR_
PACK；若檢測到路由器請求信號，則跳轉到RECV_RT狀態，同時給路由器一個接收數據包響應信號。
    (2)RECV_INSTR_PACK：接收指令包狀態。若數據經檢測不是加載給本控制器，則跳回至IDLE狀態；若是加載給本行控制器且是寫操作，則跳轉到INIT狀態。
    (3)INIT：指令初始化狀態。指令加載完成后，跳轉回IDLE狀態。
    (4)RECV_RT：接收路由器包狀態。若檢測到CALLC指令，則給行控制器所在行的PE發送請求，同時狀態跳轉到WAIT；若路由器傳來的數據包有誤，則跳回IDLE狀態。
    (5)WAIT：等待狀態。給行控制器所在行的4個PE發送SIMD請求信號后，PE停止取址，待流水線中的指令排空且4個PE均返回了響應信號后，跳轉至SEND_INSTR狀態。
    (6)SEND_INSTR：發送指令狀態。將從解析出的起始地址開始的指令同時發送給所在行的4個PE以執行SIMD運行模式，待檢測到RETC指令后，停止發送指令，給路由器發送請求信號，同時給4個PE一個結束信號(PE則繼續之前的MIMD取址)，此時跳轉到SEND_RT狀態。
    (7)SEND_RT：發送路由器包狀態。接收到路由器響應信號后，行控制器發送數據包，同時跳轉回IDLE狀態。
2.4 列控制器

    列控制器模塊的設計分為4個部分：(1)初始化程序/數據的加載；(2)簇控制器對列控制器存儲中計算結果的讀取；(3)將PE計算結果寫入到列存儲中；(4)從列存儲中動態讀取數據。狀態機如圖6所示。

    各狀態說明如下：
    (1)IDLE：空閑狀態。若檢測到廣播的初始化使能及數據有效信號，則開始解析數據包，同時跳轉到RECV_PACK狀態；若檢測到路由器請求信號，則跳轉到RECV_RT_PACK狀態。
    (2)RECV_PACK：接收初始化數據包結束狀態。若檢測到不是發送給本列控制器的數據，則下一狀態跳轉回IDLE，繼續等待下一個廣播包頭；否則，若操作類為寫，則狀態跳轉到INIT_DATA，若為讀，則跳轉到RD_DATA狀態。
    (3)INIT_DATA：初始化數據狀態。將初始化數據廣播給對應列存儲和4個PE，待初始化數據完成，跳回IDLE狀態。
    (4)RD_DATA：讀數據狀態。根據包頭中信息，簇控制器從列存儲讀取數據，待數據讀取完成，跳回IDLE狀態。
    (5)RECV_RT_PACK：接收路由器包頭狀態。開始接收由路由器傳來的數據包頭，此時有兩種不同的數據包格式，一種用于動態讀取數據（MVF指令），另一種用于將數據寫入列存儲（MVT指令）。若檢測到是MVT指令，則跳轉到RECV_DATA狀態；若檢測到是MVF指令，則跳轉到WAIT_ACK狀態。
    (6)RECV_DATA：將PE計算結果寫入列存儲。數據寫入完成后，跳轉到IDLE狀態。
    (7)WAIT_ACK：等待路由器響應狀態。請求使用路由器傳輸數據后，必須等待路由器空閑才能得到響應，等到響應信號后跳轉到SEND_DATA狀態。
    (8)SEND_DATA：發送數據狀態。根據數據包頭中包含的數據起始地址和大小動態讀取列存儲內數據，當請求的數據讀取完成后跳轉到IDLE狀態。
    本文采用狀態機設計和實現了SIMD控制器，并對電路進行了功能驗證與DC綜合以及FPGA驗證。結果表明，SIMD控制器電路工作正常且電路具有良好的可擴展性，實用性強，能夠滿足多態并行處理器的要求。
參考文獻
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