计算单元和对此的运行方法与流程

本发明涉及一种计算单元，该计算单元具有至少一个计算核、初级存储装置和至少一个主连接单元，所述至少一个主连接单元用于将至少一个计算核与初级存储装置连接。此外，本发明涉及一种用于这样的计算单元的运行方法。这样的计算单元是已知的，并且例如呈微控制器的形式而在市面有售。

背景技术：

技术实现思路

1、本发明的任务是，对开头所述类型的计算单元进行如下改进：该计算单元具有提高的灵活性并且具有提高的实用性。

2、在开头所述类型的计算单元的情况下，该任务根据本发明通过根据权利要求1的特征组合来解决。

3、根据本发明的功能单元有利地提供了扩展计算单元的计算能力和/或功能性的可能性。尤其是，通过根据本发明的在功能单元之间的直接数据交换的可能性，能够实现如下数据流：所述数据流并没有将计算单元的其他部件、譬如其计算核或初级存储装置一起包括在内。以该方式，可以减轻计算核或初级存储装置或主连接单元的负担，而同时一个或者多个根据本发明的功能单元履行针对其设置的计算任务或别的任务。

4、根据本发明的数据流控制单元依照优选的实施形式呈特别构造的功能单元的形式而是可实现的，所述根据本发明的数据流控制单元可以有利地在功能单元的层级上控制要通过计算单元处理的数据的数据流。

5、特别优选地，根据本发明的计算单元可以使用在用于目标系统的控制设备中，例如使用在用于机动车的内燃机或者用于基于雷达的距离测量系统等等的控制设备中。不同于传统的计算单元、譬如传统的微控制器，给根据本发明的计算单元有利地扩展了通过功能单元提供的并且在下文更详细地描述的功能性，并且因此也可以将根据本发明的计算单元视为具有根据本发明能够实现的附加功能性的微控制器。通常，可以在如下地方到处采用根据本发明的计算单元：在那些地方采用常规计算单元、譬如微控制器或者微处理器或者数字信号处理器等等，并且在那些地方期望有附加功能性和/或更高的效率，如其通过根据本发明的功能单元所提供的那样。此外可能的是，通过根据本发明的计算单元替换在现有系统中存在的常规计算单元，以便能够实现更高效地执行从那时起通过常规计算单元实施的计算任务和别的任务。特别有利地，依照一些实施形式，在处理与安全有关的数据的领域中或用于加工加密算法的领域中也可设想采用根据本发明的计算单元。

6、在有利的实施形式中设置了，设置至少一个初级连接单元，所述至少一个初级连接单元构造为，在至少两个功能单元的至少一个其他的功能单元与第一功能单元之间至少暂时地建立(尤其是直接的)数据连接。这有利地能够实现对在不同的功能单元之间的数据交换或数据流的控制，使得在计算单元运行期间也可能配置或新配置(neukonfiguration)在相关的功能单元之间的(多个)数据连接，由此实现提高的灵活性。在优选的实施形式中，初级连接单元具有至少一个耦合网络。特别优选地，耦合网络设计为无阻塞的耦合网络。在该情况下，耦合网络在任何时候都能够实现在所有与该耦合网络连接的功能单元之间以及必要时在其他与该耦合网络连接的单元、譬如计算单元的部件之间建立数据连接。在其他实施形式中，也可设想的是，将初级连接单元实施为耦合网络，可是不是无阻塞地设计该耦合网络。在其他实施形式中，初级连接单元也可以包括另外的结构，例如包括至少一个总线系统，所述总线系统在连接到该总线系统上的功能单元之间建立数据连接。在其他实施形式中，初级连接单元也可以具有至少一个在至少两个功能单元之间的直接的数据连接。此外，在另外的实施形式中，也可设想在多于两个的功能单元之间的直接的数据连接。

7、在另一实施形式中，设置了至少一个二级连接单元，所述二级连接单元构造为，在主连接单元与至少一个功能单元之间建立数据连接，和/或在主连接单元与至少一个初级连接单元之间建立数据连接，由此给出有效率的连通(anbindung)，用于在相关的功能单元与主连接单元之间传输数据。主连接单元例如可以构造为所谓的“核互连(core-interconnect)”，就是说可以为中央连接单元，用于高性能地(尤其是以高数据速率和/或低延迟时间)将根据本发明的计算单元的部件彼此间连接。在优选的实施形式中，主连接单元也可以优选地设计为耦合网络，尤其是设计为无阻塞的耦合网络。

8、在另一优选的实施形式中，设置了至少一个二级存储装置，其中在至少一个二级存储装置与至少一个功能单元之间存在直接的数据连接。在本上下文中，在二级存储装置与至少一个功能单元之间的直接的数据连接要被理解为如下这种数据连接：所述数据连接能够实现在二级存储装置与至少一个功能单元之间的数据交换，而对此并不使用主连接单元。换言之，在本实施形式中，可以直接在功能单元中的一个或多个功能单元与二级存储装置之间进行数据交换，由此没有减轻主连接单元的负担，使得必要时可以其他方式使用主连接单元，例如用于在计算核与二级存储装置之间进行数据交换等等。

9、在其他实施形式中设置了，计算单元的至少一个部件构造为，根据输出数据控制在功能单元彼此之间和/或在功能单元与计算单元的其他部件之间的至少一个数据流。

10、在一些实施形式中，前面所述的数据流可以例如通过数据流控制单元或者通过另外的功能单元来控制，使得所述的单元全体共同起作用并且经此能够实现例如将上级算法或子算法映射到多于一个的单个功能单元上，由此多个功能单元的经此获得的逻辑复合体(verbund)相较于各个未以这种方式共同起作用的功能单元可以实现更高的复杂性。

11、尤其是，根据本发明的数据流控制单元依照一些实施形式可以实施或承担控制任务，这并未已经通过联接正常的“简单的”功能单元来实现。同样，数据流控制单元可以在其他实施形式中例如也将子算法耦合成总算法，其中例如子算法包括多个功能单元和控制所述子算法的数据流控制单元，以及必要时包括至少一个其他的数据流控制单元，所述至少一个其他的数据流控制单元在逻辑上置于子算法的上级并且经此将所述子算法连接成整体。

12、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元构造为，对输入数据进行与预设数据的比较，并且根据该比较产生输出数据。为此，数据流控制单元可以拥有至少一个(尤其是“自己的”)比较器。

13、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元具有分析单元，所述分析单元构造为，分析输入数据和/或根据该分析产生输出数据。

14、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元构造为，控制计算单元的多个功能单元的运行，例如用于实施比较复杂的算法或计算任务，其中数据流控制单元例如在算法或计算任务的意义上控制各个功能单元的运行。

15、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元构造为，与至少一个外部部件交换数据，尤其是交换算法数据和/或控制数据。

16、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元构造为，等待可预设的输入数据或控制数据，尤其是以便使其运行与计算单元的至少一个另外的部件同步(例如与定时器模块、a/d转换器、中断控制器(interrupt-controller)、外部接口同步)。在一些实施形式中，输入数据或控制数据例如通过计算单元的至少一个另外的部件(例如计算核、另外的数据流控制单元、另外的功能单元等)可输送给数据流控制单元。

17、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元构造为，输出可预设的和/或所计算的输出数据或控制数据，尤其是以便控制计算单元的至少一个另外的部件(例如定时器模块、中断控制器、外部接口)。至计算单元的至少一个另外的部件(例如计算核、另外的数据流控制单元、另外的功能单元等)的输出数据或控制数据在一些实施形式中例如通过数据流控制单元是可输送的。

18、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元构造为，将进入的数据直接地或者经修改地转交给一个或者多个另外的功能单元。

19、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元构造为，采用循环计数器、尤其是其接收和分析以及产生和传输给另外的功能单元，用于控制在功能单元之间的数据流。

20、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元构造为，通过至少一个另外的功能单元来管理和/或控制对数据的迭代计算和/或递归计算，尤其是管理计数器，用于迭代计算和/或递归计算。

21、在其他实施形式中设置了，数据流控制单元是可配置的。例如，数据流控制单元可以拥有具有一个或者多个配置寄存器的配置存储器，在所述配置存储器中可至少暂时地存储控制数据流控制单元的运行的配置。在一些实施形式中，数据流控制单元可以(尤其是独立地)从计算单元的存储器中加载或再加载配置数据，尤其是借助对初级存储装置和/或二级存储装置的存储器存取、例如经由相对应的存储器接口来加载或再加载配置数据。在另外的实施形式中，数据流控制单元有关配置数据的加载或再加载的特性也可以是是可配置的。从存储器中加载的或再加载的配置数据可以被用于配置数据流控制单元或者用于配置随后的功能单元。

22、在另一优选的实施形式中，功能单元中的至少一个功能单元(尤其是数据流控制单元)构造为硬件电路，尤其是完全构造为硬件电路。经此，有利地可以特别快速地且高效地实施计算、逻辑运算和别的由相关的功能单元提供的功能。

23、在另一有利的实施形式中设置了，所述功能单元中的至少一个功能单元(必要时也为数据流控制单元)具有如下元件中的至少一个元件：微控制器、数字信号处理器(dsp)、可编程逻辑电路(例如fpga，现场可编程门阵列(field programmable gate array))、专用集成电路(asic，application specific integrated circuit)。

24、在实施形式中设置了，所有功能单元(尤其也是至少一个数据流控制单元)构造为硬件电路，尤其是完全构造为硬件电路。在另外的实施形式中，可能的是，一个或者多个功能单元构造为硬件电路，尤其是完全构造为硬件电路，并且至少一个没有完全构造为硬件电路的部件或别的部件呈至少一个其他的功能单元的形式来设置。例如，在特别优选的实施形式中，可以设置第一数目的功能单元，所述第一数目的功能单元完全构造为硬件电路，并且另一功能单元例如可以具有微控制器或者可编程逻辑模块或可编程逻辑电路。

25、在另一有利的实施形式中设置了，所述功能单元中的至少一个功能单元具有如下部件中的至少一个部件：加法器、乘法器、除法器、移位寄存器、桶式移位器(barrel-shifter)、比较器、乘法累加器(mac)、算术逻辑单元(alu)、存储单元、寄存器、复用器、解复用器、接口、用于分析指数函数的单元、用于分析三角函数的单元。

26、在另一优选的实施形式中，所述功能单元中的至少一个功能单元具有至少一个粗粒度的(grobgranular)硬件元件。可替选地或者补充地，所述功能单元中的至少一个功能单元可以构造为粗粒度的硬件元件。术语“粗粒度的”在本发明中意思是，相关的硬件元件具有多于一个的逻辑门电路或由多于一个的逻辑门电路形成。门电路依照实施形式在功能和/或连接方面可以彼此间不变。一般而言，粒度理解为，系统由可彼此相区分的各个单元组成直至何种程度。粗粒度的系统由比较少的、比较大的粗粒度的元件组成，而细粒度的系统由比较多的、比较小的细粒度的元件组成。特别地，粒度可以在计算机架构的范围中通过逻辑门电路的数目并且随之而来地尤其是通过在计算运算或执行时间与通信或数据交换之间的关系来描述。在细粒度的硬件元件(分别一个逻辑门电路)中，可以快速地在比较短的执行时间内实施简单的逻辑运算，可是在各个元件之间频繁交换数据。与之不同，在粗粒度的硬件元件中(分别多个逻辑门电路)中，在比较长的执行时间的情况下实施尤其是相应复杂的运算，并且在各个元件之间较稀有地交换数据。

27、粗粒度的硬件元件因此尤其是要被理解为如下元件：所述元件分别可以自动地实施复杂的计算运算，尤其是为此并不频繁地彼此间交换数据。例如，各个粗粒度的硬件元件分别构造为如下元件中的一个：复杂度较高的(hoeherkomplex)元件、如算术逻辑单元(alu)、存储器存取单元、通信接口，和/或较不复杂的单元、如比较器、加法器、乘法器、除法器、移位寄存器、桶式移位器、乘法累加器(“multiply-accumulate”(mac))、寄存器或寄存器组、存储单元(例如ram、闪存(flash)等)、复用器(例如2:1-mux，m:n-mux)、解复用器。

28、在特别优选的实施形式中，通过多个相互连接的部件、譬如加法器、乘法器、除法器、移位寄存器、桶式移位器、比较器、乘法累加器、算术逻辑单元、存储单元、寄存器、复用器、接口或一般为粗粒度的能够形成(多个)功能单元或者其组成部分的硬件元件，提供比较复杂的计算装置，其中根据本发明，有利地至少一个第一功能单元构造为，从至少一个其他的功能单元接收第一数据和/或向至少一个其他的功能单元发送第二数据，如这已经在前面已描述过的那样。经此，可以限定如下数据流：所述数据流此外也能够实现实施比较复杂的计算，所述计算例如使用多个前面所述的部件或粗粒度的硬件元件，例如以可预设的顺序根据要分析的算法或者别的计算规则来使用多个前面所述的部件或粗粒度的硬件元件。

29、依照本发明的另一方面，尤其是通过根据本发明的数据流控制单元，数据流可以特别有利地也动态地(这意思是在根据本发明的计算单元的运行时间期间)被影响或被改变，就是说被重构(umkonfigurieren)或被重新配置。在其他优选的实施形式中，这例如可以通过相对应地控制初级连接单元来实现。

30、依照另一有利的实施形式设置了，计算单元构造为，改变至少一个功能单元(尤其也是数据流控制单元)(或一个或者多个包含于其中的粗粒度的元件)的配置，和/或检验至少一个功能单元的状态或配置。经此，进一步提高了根据本发明的计算单元的灵活性和实用性。例如，在实施形式中可以设置，至少一个功能单元具有配置寄存器，所述配置寄存器例如可以在本地布置在该功能单元中。通过对计算单元进行写存取，例如由于其计算核中的一个对计算单元进行写存取，计算单元因此可以改变相关的功能单元的配置。换言之，在一些实施形式中，例如计算单元的计算核可以构造为，改变至少一个功能单元(尤其也是数据流控制单元)的配置，和/或检验至少一个功能单元的状态或配置。

31、在其他实施形式中可想象的是，至少一个功能单元或至少一个数据流控制单元构造为，改变至少一个(另外的)功能单元或(另外的)数据流控制单元的配置，和/或检验至少一个功能单元的状态或配置。此外可想象的是，在其他实施形式中，功能单元构造为，改变和/或检验其自己的配置。

32、在优选的实施形式中可以设置，至少一个功能单元或至少一个数据流控制单元构造为，根据对输入数据的分析来实施对自己或另外的部件(例如另外的功能单元或数据流控制单元)的配置或重新配置。例如，在这种情况下，根据对输入数据的分析可以确定，至少一个功能单元或至少一个数据流控制单元究竟是否进行了对自己或另外的部件的配置或重新配置，和/或以何种方式进行这样的配置或重新配置。

33、在其他优选的实施形式中，可以设置，至少一个功能单元或至少一个数据流控制单元构造为，访问初级存储装置和/或二级存储装置，尤其是以便读取和/或写入配置数据。在其他实施形式中，可以设置，至少一个功能单元或至少一个数据流控制单元构造为，将这种被读取的数据(尤其是配置数据)用于自己的配置和/或转交给至少一个其他的功能单元。

34、在其他实施形式中可想象的是，计算单元的至少一个外围单元构造为，改变至少一个功能单元的配置，和/或检验至少一个功能单元的状态或配置。例如，外围单元可以是dma控制装置。经此，有利地能够实现：dma控制装置基本上自主地从计算单元的第一存储区域中读出例如用于确定的功能单元的配置信息，并且将所读出的配置信息写入到相关的功能单元的相对应的配置寄存器中。

35、在另一实施形式中设置了，功能单元中的至少一个功能单元构造为，改变初级连接单元和/或至少一个二级连接单元的配置，和/或检验至少该初级连接单元和/或至少一个二级连接单元的状态或配置。例如，相关的功能单元可以根据对其输入数据的分析来确定：a)究竟是否要实施对初级连接单元和/或至少一个二级连接单元的配置或重新配置，和/或b)以何种方式进行这样的配置或重新配置。

36、根据另一实施形式，对粗粒度的硬件元件的配置要被理解为：根据可支配的可能性以及尤其也是各个元件的连接结构(例如初级连接单元)，对粗粒度的硬件元件的功能进行具体地说明。通过改变所述配置，所述计算单元或功能单元因此可以在硬件层上配置(重构)所述元件的功能，以及以不同的方式将所述元件相互(重新)连接，并且经此能够实现使计算单元与在硬件层上的不同算法相适配。在特别优选的实施形式中，不同功能单元彼此间的配置或连接可以通过针对在功能单元之间例如呈数据包的形式来交换的数据预设相对应的目标地址来进行。

37、在另一有利的实施形式中设置了，为了配置或重构(“重新配置”)一个或者多个功能单元或数据流控制单元，从源(例如配置存储器)中读出相对应的配置信息，并且这些配置信息被写到相关的功能单元的相对应的配置寄存器中。配置存储器例如可以布置在二级存储装置中。可替选地或者补充地，配置存储器也可以布置在初级存储装置中。此外，在另一实施形式中可设想的是，借助在计算单元外部的部件提供配置信息，所述在计算单元外部的部件例如呈(串行)闪存存储器形式，所述闪存存储器例如连接到计算单元的相对应的接口上。

38、一般地，计算单元的初级存储装置在实施形式中可以有利地不仅具有工作存储器(直接存取存储器，ram(random access memory(随机存取存储器)))，而且具有至少一个闪存存储器(就是说非易失性存储器)。在其他实施形式中，二级存储装置优选地构造为ram存储器，尤其是构造为静态ram存储器(sram)。

39、在另一有利的实施形式中设置了，功能单元中的至少一个功能单元具有用于接收第一数据的输入接口和/或用于输出第二数据的输出接口。(多个)输入接口或输出接口在优选的实施形式中尤其是可以被用于与另外的同类的或者不同类的功能单元交换数据(发送和/或接收)，(或者必要时也与另外的部件交换数据，所述另外的部件具有与功能单元的(多个)输入接口或输出接口兼容的相对应的接口)。

40、根据另一实施形式，输入接口和/或输出接口例如可以构造为，接收对于功能单元确定的呈可预设的格式(例如呈数据包形式)的第一数据，或为了向另外的单元(例如另外的功能单元)输出而输出呈可预设的格式(例如又呈数据包形式)的确定的第二数据。

41、输入接口例如可以构造为，被连接到初级连接单元。根据初级连接单元的实施方案，输入接口因此例如可以构造为，被连接到耦合网络和/或总线系统上。可替选地或者补充地，输入接口也可以构造为，在相关的功能单元与至少一个其他的功能单元之间建立直接的数据连接，例如借助直接互连的数据线来建立直接的数据连接。相同的实施方案以相对应的方式适用于在本发明的其他实施形式中构造输出接口。

42、在另一实施形式中设置，功能单元中的至少一个功能单元具有用于控制功能单元的运行的本地控制装置。例如，这样的本地控制装置可以包括至少一个状态自动装置(用英语表达：state machine)。

43、在另一有利的实施形式中，所述功能单元中的至少一个功能单元具有本地计算单元。在另一有利的实施形式中，本地计算单元可以具有至少一个粗粒度的硬件元件，或者构造为粗粒度的硬件元件。在另一有利的实施形式中，本地计算单元可以具有如下部件中的至少一个部件：加法器、乘法器、除法器、移位寄存器、桶式移位器、比较器、乘法累加器(mac)、算术逻辑单元(alu)、存储单元、寄存器、复用器、解复用器、接口、用于分析指数函数的单元、用于分析三角函数的单元。

44、在另一有利的实施形式中设置了，所述功能单元中的至少一个功能单元具有本地配置存储器。特别优选地，本地配置存储器可以包括寄存器存储器，其中尤其是本地配置存储器包括多个配置寄存器。经此，高效的配置和新配置或重新配置(也在功能单元运行期间)是可能的，其方式是：一个或者多个配置寄存器以期望的方式被修改。对配置寄存器的修改例如可以通过功能单元自己和/或通过另外的功能单元和/或计算单元的另外的部件、诸如计算核来进行。

45、在另一有利的实施形式中设置了，所述功能单元中的至少一个功能单元具有本地功能存储器。特别优选地，本地功能存储器可以包括寄存器存储器，或可以是寄存器存储器的部分。尤其是，本地功能存储器可以包括至少一个功能寄存器。本地功能存储器可以有利地被用于至少暂时地存储功能单元的输入数据和/或输出数据或存储功能单元的计算的中间结果。

46、在另一有利的实施形式中也可设想的是，给功能单元配备多个寄存器存储器，其中第一数目的寄存器存储器可用作配置寄存器，并且其中第二数目的寄存器存储器可用作功能寄存器。在其他实施形式中，此外可设想的是，第一数目或第二数目变化，并且例如通过配置可改变第一数目或第二数目。以这种方式，功能单元的运行可以非常灵活地来构建，并且尤其是本地(寄存器)存储器可以动态地与要由功能单元实施的计算相适配。

47、其他有利的设计方案是从属权利要求的主题。

48、本发明的任务的其他解决方案通过根据权利要求13的控制设备以及根据权利要求14的方法来说明。