嵌入式流處理器

國內(nèi)的處理器設(shè)計(jì)現(xiàn)在還主要處于功能仿制階段,有單位正在研制具有MMX指令的奔騰芯片,以及具有數(shù)據(jù)并行處理能力的TMS 320C6711等芯片。就數(shù)據(jù)并行性計(jì)算來說,高性能奔騰處理器是通過57條MMX指令來支持?jǐn)?shù)據(jù)并行性計(jì)算的,但其數(shù)據(jù)并行計(jì)算的程度是很低的,只能支持8個8位數(shù)據(jù),或4個16位數(shù)據(jù),或2個32位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)并行計(jì)算。也有單位九五期間自主設(shè)計(jì)研制了含有64（8×8）個處理元的PE芯片,研制了具有4096個處理元的SIMD協(xié)處理器的圖像處理機(jī)系統(tǒng)。但是,這些處理器還不能滿足像素幀巨大的嵌入式圖像處理應(yīng)用的要求。

針對上述三個關(guān)鍵問題,近十多年來,國外對新一代多媒體處理器體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的研究,有專用多媒體處理器、可編程多媒體處理器、向量處理器以及流處理器等體系結(jié)構(gòu)。

　　專用多媒體處理器

針對三維圖形應(yīng)用,SGI公司研制了名為InfiniteReality的專用多媒體處理器系統(tǒng)（1997年公布）。它由4個專用的幾何引擎（Geometry Engine）和80?320個專用的圖像引擎（Image Engine）構(gòu)成,能提供每秒11,000,000次三角函數(shù)計(jì)算和每秒830,000,000個像素的處理。它是以存儲容量的冗余為代價來提高存儲器帶寬的。最近,NVIDIA公司研制了名為GeForce256的專用單芯片圖形處理器。該處理器能提供每秒15,000,000次峰值運(yùn)算和每秒480,000,000個像素處理。這些專用多媒體處理器的缺點(diǎn)是只要算法稍有變化,性能就會急劇下降。

　　可編程多媒體處理器

Chromatic公司研制了名為Mpact的多媒體處理器（1996年公布）,Philip公司研制了名為TriMedia（1996年公布）和VSP（1994年公布）的多媒體處理器。它們比專用圖形處理系統(tǒng)要靈活得多。Mpact多媒體處理器有一個4KB的全局寄存器文件（Register file）,并且利用了高帶寬的Rambus DRAM來滿足3-D圖形處理對帶寬的需求。這個相當(dāng)大的全局寄存器文件,在很大程度上減小了圖形處理中對工作頁面進(jìn)行顯式緩存所需的帶寬量,進(jìn)而減少了對存儲器的訪問次數(shù)。在奔騰等高性能處理器中,通過MMX,MAX-2,和VIS,增加了多媒體擴(kuò)展,也就是增加了來自存儲器的預(yù)取流數(shù)據(jù),并利用這些處理器中可以得到的數(shù)據(jù)帶寬,增加了浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型SIMD操作,以支持?jǐn)?shù)據(jù)并行性。

　　向量處理器

向量處理器是通過向量操作來支持?jǐn)?shù)據(jù)并行性的處理器。為了有效地利用向量計(jì)算中的數(shù)據(jù)并行性,向量處理器的結(jié)構(gòu)通常包括向量寄存器文件、深度流水的ALU和一維的SIMD組織形式的多種組合。向量寄存器文件存儲的是數(shù)據(jù)向量,而不是單個的數(shù)據(jù)字,它們是在對向量進(jìn)行操作時,順序地進(jìn)行傳送的。不僅圖像處理采用向量處理器技術(shù),當(dāng)前世界上處理速度最快的超級計(jì)算機(jī)——日本NEC的《地球仿真測試系統(tǒng)》,也是以0.15mm工藝實(shí)現(xiàn)的向量處理器為基礎(chǔ),由5120個向量處理器（共有640個節(jié)點(diǎn),每個節(jié)點(diǎn)有8個向量處理器）組成的。

　　流處理器

流處理器是直接將多媒體的圖形數(shù)據(jù)流映射到流處理器上進(jìn)行處理的,有可編程和不可編程兩種。1995年公布的名為Cheops中的流處理器,是針對某一個特定的視頻處理功能而設(shè)計(jì)的一種不可編程的流處理器。但為了得到一定的靈活性,系統(tǒng)中也包含一個通用的可編程處理器。

從1996年到2001年,MIT和Standford針對圖像處理的應(yīng)用,研制了名為Imagine 的可編程流處理器。Imagine流處理器沒有采用cache,而是采用一個流寄存器文件SRF(Stream Register File),作為流（主）存儲器與處理器寄存器之間的緩沖存儲器,來解決存儲器帶寬問題的。流存儲器與SRF之間的帶寬是2GB/s,SRF與處理器寄存器之間的帶寬是32GB/s, ALU簇（ALU Cluster）內(nèi)寄存器與ALU之間的帶寬是544GB/s,三種帶寬的比例關(guān)系為1:16:272。