面向媒體處理可重構(gòu)系統(tǒng)中存儲(chǔ)子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，媒體處理技術(shù)已成為信息技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。媒體處理技術(shù)具有標(biāo)準(zhǔn)多、更新快、算法復(fù)雜度高、數(shù)據(jù)處理量大的特點(diǎn)，無論是以通用處理器為基礎(chǔ)的軟件執(zhí)行方式，還是以專用集成電路為代表的硬件執(zhí)行方式，都遇到了較大的挑戰(zhàn)?？芍貥?gòu)計(jì)算作為一種將軟件的靈活性和硬件的高效性結(jié)合在一起的計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，在性能、功耗和靈活性等關(guān)鍵指標(biāo)之間具有更好的平衡，填補(bǔ)了通用計(jì)算和專用計(jì)算之間的空白?？芍貥?gòu)系統(tǒng)與外部存儲(chǔ)器之間交互

2、的數(shù)據(jù)可以分為兩類:一類是與計(jì)算輸入輸出相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括作為計(jì)算源的輸入數(shù)據(jù)和作為計(jì)算結(jié)果的輸出數(shù)據(jù);另一類是與計(jì)算功能相關(guān)的配置信息，包括可重構(gòu)系統(tǒng)中計(jì)算陣列的路由配置、陣列中各個(gè)計(jì)算資源的算子選擇以及數(shù)據(jù)的存取模式設(shè)置等?？芍貥?gòu)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和管理策略（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)），配置信息的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和調(diào)度管理策略（配置信息存儲(chǔ)子系統(tǒng)），共同構(gòu)成了可重構(gòu)系統(tǒng)的存儲(chǔ)子系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)方案的選擇在很大程度上決定了可重構(gòu)系統(tǒng)的性能和能效比。本文通過

3、研究面向媒體處理可重構(gòu)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和配置信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及管理策略對可重構(gòu)系統(tǒng)存儲(chǔ)吞吐率和重構(gòu)性能的影響機(jī)理，進(jìn)行可重構(gòu)系統(tǒng)中存儲(chǔ)子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。
　　本文首先從媒體處理算法的特征入手，討論了基于可重構(gòu)計(jì)算的算法并行化處理方法、面向媒體處理可重構(gòu)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方案以及可重構(gòu)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制，并分析了可重構(gòu)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流和構(gòu)令流的具體特征。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)方面，本文分別研究了可重構(gòu)陣列的數(shù)據(jù)流水方法、可重構(gòu)處理單元的訪問接口結(jié)構(gòu)

4、設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)的預(yù)取緩存策略，包括以下三個(gè)部分的研究工作:首先，研究并提出了一種可重構(gòu)陣列中的分布式寄存器結(jié)構(gòu)，可以在控制互連延遲和硬件開銷的同時(shí)，有效地減少輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算過程中的流水線氣泡;其次，研究了可重構(gòu)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的訪存特點(diǎn)以及外存訪問接口的設(shè)計(jì)方法，可以有效地優(yōu)化系統(tǒng)的訪存性能;最后，研究并提出了一種基于扁平矩形框的數(shù)據(jù)預(yù)取策略以及相應(yīng)的緩存塊結(jié)構(gòu)，可以在控制片上緩存開銷的同時(shí)，有效地減少可重構(gòu)陣列的數(shù)據(jù)訪問延遲。本文在配置信息存

5、儲(chǔ)子系統(tǒng)方面的研究工作，主要包括以下四個(gè)部分:首先，研究并提出了一種針對媒體處理可重構(gòu)計(jì)算的配置信息組織結(jié)構(gòu)和分級(jí)策略，可以有效地利用算法的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及可重構(gòu)系統(tǒng)中構(gòu)令流特征，來優(yōu)化配置信息的存取過程;其次，研究并提出了一種配置信息緩存的管理機(jī)制，包括:基于預(yù)解析的配置信息預(yù)取機(jī)制以及基于混合優(yōu)先級(jí)的配置信息更新替換策略，通過在緩存管理策略中結(jié)合并利用媒體處理算法的特性，可以有效地提高配置信息緩存的片上存儲(chǔ)利用率和訪問命中率;第三，研究

6、并提出了一種基于配置信息分級(jí)組織策略的配置信息緩存結(jié)構(gòu)，可以在不影響配置信息訪問性能的同時(shí)，降低近一半的配置信息緩存存儲(chǔ)開銷;最后，本文研究了系統(tǒng)中重構(gòu)控制單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括層次化的數(shù)據(jù)和指令存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及基于多模式郵遞通信機(jī)制的重構(gòu)任務(wù)并行調(diào)度方法，以較低的硬件開銷，可以獲得較高的重構(gòu)調(diào)度性能。
　　最后，本文論述了所采用的系統(tǒng)仿真和評(píng)估平臺(tái)、高層模型設(shè)計(jì)方法，并說明了以本文所述可重構(gòu)存儲(chǔ)子系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的兩款VLSI芯

7、片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所述的存儲(chǔ)子系統(tǒng)架構(gòu)以及相應(yīng)的優(yōu)化策略，不僅可以有效地提高面向媒體處理可重構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取和系統(tǒng)重構(gòu)性能（配置信息調(diào)度性能提高了4.3倍～4.6倍，數(shù)據(jù)存取性能提高了2.7倍～3.3倍），還能夠改善可重構(gòu)陣列的數(shù)據(jù)流水效率，從而提高陣列的計(jì)算性能。通過兩款芯片的實(shí)測驗(yàn)證以及與其它方案的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，基于本文所述存儲(chǔ)子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)系統(tǒng)，不僅在媒體處理算法和基帶處理算法方面具有很好的靈活性，還能夠獲得