用于嵌入式可重配置計(jì)算的切換結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說明】用于嵌入式可重配置計(jì)算的切換結(jié)構(gòu)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年3月I日提交的美國非臨時(shí)申請N0.13/781,755的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過援引納入于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本申請涉及可重配置計(jì)算，尤其涉及用于可重配置計(jì)算的切換結(jié)構(gòu)。
[0004]背景
[0005]盡管處理器速度已經(jīng)逐漸提高，但對提高的計(jì)算能力的需求仍然未減弱。例如，智能電話現(xiàn)在使其處理器負(fù)擔(dān)繁雜的各種任務(wù)。但單核處理器在給定時(shí)間只能容適這么多的指令。由此，現(xiàn)在通常提供能并行地處理指令集的多核或多線程處理器。但此類基于指令的架構(gòu)必須始終對抗管芯空間施加的限制、功耗以及關(guān)于增加指令處理時(shí)間的復(fù)雜性。
[0006]與使用可編程處理核相比，存在能夠在專用硬件中更高效地處理的許多算法。例如，圖像處理涉及顯著并行性以及通過處理步驟流水線對像素的分群處理。如果算法然后被映射到硬件，則實(shí)現(xiàn)利用該對稱性和并行性。但設(shè)計(jì)專用硬件是昂貴且麻煩的，因?yàn)槿绻惴ū恍薷模瑢Ｓ糜布仨毐恢匦略O(shè)計(jì)。
[0007]為了提供基于指令的架構(gòu)與專用硬件辦法之間的高效折衷，已經(jīng)開發(fā)出可重配置的指令格陣列(RICA)架構(gòu)。圖1A解說了具有可重配置核I的示例RICA系統(tǒng)50。在RICA 50中，多個(gè)指令格2 (諸如加法器(ADD)、乘法器(MUL)、寄存器(REG)、邏輯運(yùn)算移位器(SHIFT)、除法器(DIV)、數(shù)據(jù)比較器(COMP)、邏輯門(LOGIC)以及邏輯跳格(JUMP))通過可編程切換結(jié)構(gòu)4來互連。指令格2關(guān)于它們實(shí)現(xiàn)的邏輯功能或指令的配置可以在必要時(shí)在每一時(shí)鐘周期被重新編程為實(shí)現(xiàn)給定算法或功能。切換結(jié)構(gòu)4也將被相應(yīng)地重新編程。指令格2包括存儲(chǔ)器接口格12，這些存儲(chǔ)器接口格對接被檢索或加載到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8中的用于指令格2的數(shù)據(jù)。指令格2的所得處理根據(jù)從配置RAM 6獲取的配置指令10來進(jìn)行。解碼模塊11解碼指令10以便不僅獲取用于指令格2的配置數(shù)據(jù)，而且獲取用于切換結(jié)構(gòu)4的配置數(shù)據(jù)。RICA 50通過I/O端口 16以及專用指令格寄存器14來與外部系統(tǒng)對接。圖1a所示的附加特征在2006年4月28日提交的美國專利公開N0.2010/0122105中描述，該公開的內(nèi)容通過援引整體納入于此。
[0008]注意，RICA的優(yōu)點(diǎn)在于:算法(諸如涉及通過流水線處理方案來處理多個(gè)像素的圖像處理)能夠以模擬專用硬件辦法的方式被映射到指令格。但是無需設(shè)計(jì)專用硬件，取而代之地，可僅僅在需要時(shí)對這些格和切換結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程。由此，如果必須重新設(shè)計(jì)算法，則無需重新設(shè)計(jì)硬件，而是用戶可僅在必要時(shí)改變編程。這相對于傳統(tǒng)的基于指令的計(jì)算辦法而言是相當(dāng)有優(yōu)勢的。
[0009]盡管RICA由此提供了穩(wěn)健的優(yōu)點(diǎn)，但其實(shí)現(xiàn)中仍然有挑戰(zhàn)。例如，按行和列以可重配置陣列來排列指令格是常規(guī)的。每一指令格、任何相關(guān)聯(lián)的寄存器以及用于指令格的相關(guān)聯(lián)的輸入和輸出切換結(jié)構(gòu)可被認(rèn)為是駐留在切換盒內(nèi)。圖1B示出了以行和列排列的切換盒的示例陣列。在所選切換盒之間形成的數(shù)據(jù)路徑承載在多個(gè)通道中的所選通道上。通道也以匹配切換盒的行和列的行和列來排列。每一通道具有特定位寬。行方向可被認(rèn)為是東西向，而列方向是南北向的。開始于初始切換盒100中的指令格的數(shù)據(jù)路徑從初始切換盒100開始以東行向在通道101上走線。數(shù)據(jù)路徑從后續(xù)切換盒開始的走線沿合適的東/西行向或北/南列向，以使得到達(dá)在某一所選行和列位置的最終切換盒105。在該示例數(shù)據(jù)路徑中，兩個(gè)指令格被配置為算術(shù)邏輯單元(ALU) 110。其余切換盒的指令格為了解說清楚性而未示出。注意到，每一切換盒則必須容適兩個(gè)切換矩陣或結(jié)構(gòu):用于選擇其指令格的通道輸入的輸入切換結(jié)構(gòu)以及用于選擇該切換盒的通道輸出的輸出切換結(jié)構(gòu)。本公開聚焦于輸出切換結(jié)構(gòu)。
[0010]RICA的通道數(shù)目是任意的一一例如，假定有20個(gè)通道，每一個(gè)為8位寬。用于切換盒的任何給定方向的輸出切換結(jié)構(gòu)則可以使用20*8 = 160個(gè)復(fù)用器來驅(qū)動(dòng)20個(gè)通道中的160位。例如，在這一實(shí)施例中，初始切換盒101將包括160個(gè)復(fù)用器以在東行向101上驅(qū)動(dòng)20個(gè)通道。在圖1C中示出示例輸出切換結(jié)構(gòu)150。切換結(jié)構(gòu)150被配置成關(guān)于北、南、東和西向來切換通道。關(guān)于每一方向，切換結(jié)構(gòu)150接收輸入導(dǎo)體上的通道。類似地，切換結(jié)構(gòu)150在每一方向上在對應(yīng)的輸出導(dǎo)體上驅(qū)動(dòng)通道。如集成電路布局領(lǐng)域所公知的，通道的走線發(fā)生在對應(yīng)的金屬層中的跡線中。例如，通道的南輸入導(dǎo)體被布置在跡線171中，跡線171成為通道的北輸出導(dǎo)體的跡線。針對北-南、東-西以及西-東走線的類似跡線跨越切換結(jié)構(gòu)150。通道由對應(yīng)的復(fù)用器驅(qū)動(dòng)在輸出導(dǎo)體上從切換結(jié)構(gòu)150的每一側(cè)離開。
[0011]盡管“通道”是信號(hào)，該信號(hào)與承載該信號(hào)的導(dǎo)體相異，但簡單地將承載在對應(yīng)輸入導(dǎo)體上的通道稱為“輸入通道”是方便的。類似地，承載在對應(yīng)輸出導(dǎo)體上的通道是“輸出通道”。例如，南切換電路155包括用于驅(qū)動(dòng)南輸出通道的復(fù)用器。類似地，東切換電路160包括用于驅(qū)動(dòng)?xùn)|輸出通道的復(fù)用器，西切換電路165包括用于驅(qū)動(dòng)西輸出通道的復(fù)用器，而北切換電路170包括用于驅(qū)動(dòng)北輸出通道的復(fù)用器。
[0012]再次參考圖1B，給定切換盒的輸出切換結(jié)構(gòu)的輸出通道成為相鄰切換盒的輸出切換結(jié)構(gòu)的輸入通道。例如，圖1B中的通道101是初始切換盒100的東輸出通道，而通道101是相鄰切換盒115的西輸入通道。
[0013]通過將所有輸出復(fù)用器編組成對應(yīng)的切換電路，圖1C的輸出切換結(jié)構(gòu)150遭受很大程度的總線轉(zhuǎn)向。就此方面，如走線領(lǐng)域所公知的，行和列走線通常被組織在對應(yīng)的跡線中。關(guān)于切換結(jié)構(gòu)，給定方向上的輸入導(dǎo)體的跡線成為相對方向上的輸出導(dǎo)體的跡線。此類跡線極大地簡化了行和列走線。例如，西輸入通道的跡線172橫跨北切換電路170和東切換電路160的管芯空間。跡線172不穿過專用于南切換電路155的管芯空間。因?yàn)橛糜谀媳狈较虻耐ǖ雷呔€不會(huì)與用于東西方向的通道走線短路，所以行和列走線發(fā)生在專用金屬層中。例如，第一金屬層(或第一多個(gè)金屬層)可專用于東/西行走線，而第二金屬層(或第二多個(gè)金屬層)將承載北/南列走線。
[0014]西輸入通道因而必須在不同金屬層中進(jìn)行“總線轉(zhuǎn)向”以在南切換電路155中的復(fù)用器處被接收。西輸入通道可能無法直接通過第一金屬層來走線以耦合至南切換電路155，因?yàn)樗鼈儠?huì)在它們通往南切換電路155的跡線中與東輸入通道短路。類似總線轉(zhuǎn)向必然針對其他切換電路而發(fā)生。例如，南輸入通道要求總線轉(zhuǎn)向以在東切換電路160處被接收。此類總線轉(zhuǎn)向浪費(fèi)管芯空間，要求過多的功耗，并且導(dǎo)致定時(shí)延遲。
[0015]切換結(jié)構(gòu)150的通道切換針對它在其半導(dǎo)體基板表面上的占據(jù)區(qū)域的北、南、西和東側(cè)來傳導(dǎo)。關(guān)于任何給定的占據(jù)區(qū)域側(cè)，對應(yīng)的切換電路可以關(guān)于輸入通道選擇而從三個(gè)剩余側(cè)中進(jìn)行選擇。例如，南切換電路155中的復(fù)用器可以從北輸入通道、東輸入通道和西輸入通道中進(jìn)行選擇。但南切換電路155不能從南輸入通道進(jìn)行選擇。類似地，東切換電路160可以從用于北、南和西占據(jù)區(qū)域側(cè)的輸入通道中進(jìn)行選擇。這種將來自任何給定切換結(jié)構(gòu)占據(jù)區(qū)域側(cè)的輸出限制為三個(gè)剩余側(cè)是常規(guī)性的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致可觀的走線復(fù)雜性縮減。
[0016]已耗費(fèi)了針對遵循對于任何給定切換結(jié)構(gòu)側(cè)從三個(gè)剩余側(cè)中進(jìn)行通道選擇的各種切換結(jié)構(gòu)架構(gòu)的許多研究。圖2A示出了一類被稱為不相交矩陣的切換結(jié)構(gòu)架構(gòu)。在這一示例中，有5行和5列，每一行和列從O編號(hào)到4。每一行(或每一列)可以被認(rèn)為表示給定數(shù)據(jù)字的通道。因而，在這一系統(tǒng)中有5個(gè)數(shù)據(jù)通道。為了解說清楚性，并未單獨(dú)地示出輸入和輸出通道。替代地，給定通道(諸如西通道4)表示西輸入通道4和西輸出通道4。在不相交矩陣中，給定通道被限制為走線到同一通道中。例如，承載在其西輸入上的通道O的數(shù)據(jù)字可以被切換成在通道O的北輸出中傳播，但是不能被切換成在其余的通道I到4的北輸出中傳播。面向給定基本方向(北、南、東或西)的切換結(jié)構(gòu)側(cè)的每一通道輸出可因而由3:1復(fù)用器(未解說)來選擇，該3:1復(fù)用器從面向其余的基本方向的其余側(cè)中進(jìn)行選擇。
[0017]注意到，不相交矩陣的優(yōu)點(diǎn)如下:3:1復(fù)用器可被置于給定通道的行和列的相交處。對3:1復(fù)用器的輸入恰恰在相交處一一不需要總線轉(zhuǎn)向或橫跨其他通道來獲得輸入。此類不相交切換結(jié)構(gòu)因而極大地簡化了布局設(shè)計(jì)。但這一不相交簡化在走線靈活性方面帶來很大限制:不相交矩陣無法提供用于關(guān)于任何給定通道輸出從其他通道中進(jìn)行選擇的手段。
[0018]為了提供更靈活的走線能力，已經(jīng)開發(fā)了通用切換矩陣和Wilton切換矩陣，分別如圖2B和圖2C中所示。在這些切換矩陣或結(jié)構(gòu)中，用于給定基本方向中的通道的輸出信號(hào)的選擇并不被限制于同一通道。例如，在通用切換矩陣中，北方向上的通道4中的輸出可以從通道O西輸入、通道4南輸入、以及通道4東輸入中進(jìn)行選擇。類似地，在Wilton切換矩陣中，通道4北中的輸出可以從通道I西、通道O東和通道4南的輸入中進(jìn)行選擇。但就像不相交矩陣一樣，通用或Wilton切換矩陣的給定方向上的每一輸出可以由3:1復(fù)用器來提供，該3:1復(fù)用器從其余方向的通道輸入中進(jìn)行選擇。
[0019]無論矩陣的類型如何，列維度中的給定通道輸出要么去往北(N)方向要么去往南方向(S)。類似地，行維度中的給定通道輸出要么去往西(W)方向要么去往東(E)方向。輸入和輸出