部分重構(gòu)計算系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、可重構(gòu)計算是一種新型的時空域計算模式，它利用了可重構(gòu)邏輯器件的可重構(gòu)特性，同時具有類似處理器的以在線編程方式實現(xiàn)各種應(yīng)用的靈活性和類似專用集成電路的以硬件方式執(zhí)行計算任務(wù)的高性能，是當(dāng)前計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。部分重構(gòu)技術(shù)作為可重構(gòu)計算技術(shù)的重要發(fā)展趨勢，能夠在系統(tǒng)重構(gòu)過程中對可重構(gòu)邏輯器件上的部分資源進(jìn)行重新配置，而不會影響到其它的可重構(gòu)邏輯資源。相比較之前的可重構(gòu)計算技術(shù)，部分重構(gòu)技術(shù)具有更細(xì)粒度的時空域計算特征，能夠有效地改

2、善可重構(gòu)計算系統(tǒng)的執(zhí)行性能、資源利用率以及重構(gòu)靈活性等技術(shù)指標(biāo)。 雖然當(dāng)前的可重構(gòu)邏輯器件已經(jīng)對部分重構(gòu)技術(shù)提供了相當(dāng)充分的支持，但是因為現(xiàn)有的部分重構(gòu)設(shè)計方法普遍存在著設(shè)計門檻高、通用性弱等缺陷，所以部分重構(gòu)計算系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域受到了極大的制約。針對這一現(xiàn)狀，本論文提出了一種具有設(shè)計便捷、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的基于模塊的部分重構(gòu)設(shè)計方法。該方法首先將應(yīng)用合理地劃分為具有可重構(gòu)屬性或者固定屬性的模塊，然后借鑒模塊化設(shè)計方法學(xué)的思路完成各

3、個模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，最終利用可重構(gòu)邏輯器件的部分重構(gòu)特性實現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行時重構(gòu)。本論文還針對利用基于模塊的部分重構(gòu)設(shè)計方法實現(xiàn)具有不同結(jié)構(gòu)特征的加密算法進(jìn)行了深入研究，有效地解決了算法實現(xiàn)過程中存在的模塊間協(xié)同設(shè)計、時序調(diào)整以及通訊通道設(shè)計等關(guān)鍵問題。實驗驗證了本論文所提設(shè)計方法的有效性以及部分重構(gòu)計算系統(tǒng)具有的低資源占用量、高重構(gòu)性能等優(yōu)勢。 和所有的可重構(gòu)計算系統(tǒng)一樣，部分重構(gòu)計算系統(tǒng)的重構(gòu)過程是整個系統(tǒng)的性能瓶頸。圍繞如何緩

4、解這一瓶頸效應(yīng)，現(xiàn)有很多研究被展開，配置cache技術(shù)就是其中之一。與傳統(tǒng)的計算系統(tǒng)使用的cache技術(shù)不同，部分重構(gòu)過程的配置cache替換過程需要充分考慮可重構(gòu)計算技術(shù)的時空域計算特征。針對配置cache的這一特點(diǎn)，本論文提出了多個基于代價函數(shù)的替換策略，其中各個代價函數(shù)均由反映系統(tǒng)執(zhí)行時間域特征的計算任務(wù)歷史執(zhí)行信息和反映系統(tǒng)執(zhí)行空間域特征的計算任務(wù)配置數(shù)據(jù)規(guī)模等兩個部分構(gòu)造而成。相比較現(xiàn)有的配置cache替換策略，本論文所提的算

5、法更有效地利用了計算任務(wù)的歷史執(zhí)行信息，因此能夠做出更優(yōu)化的配置cache替換決策。實驗表明本論文提出的部分重構(gòu)過程的配置cache替換策略能夠有效地降低cache替換過程的時間開銷，提高系統(tǒng)的執(zhí)行性能。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前的可重構(gòu)邏輯器件上已經(jīng)可以集成“數(shù)以百萬計” 的基本邏輯門資源以及多種多樣的用于提高系統(tǒng)性能的粗粒度計算邏輯單元。其中，一類能夠在器件內(nèi)部嵌入處理器的可重構(gòu)邏輯器件的出現(xiàn)，使得新型的自重構(gòu)計算

6、系統(tǒng)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。自重構(gòu)計算系統(tǒng)通過嵌入在可重構(gòu)邏輯器件內(nèi)部的處理器完成對系統(tǒng)重構(gòu)過程的控制，無需調(diào)用器件外部的配置端口，能夠提高重構(gòu)性能、減少相關(guān)外設(shè)?，F(xiàn)有的基于可重構(gòu)邏輯器件的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程不能夠直接為自重構(gòu)計算系統(tǒng)的研發(fā)提供足夠的支持，因此本論文提出了一種將其與基于模塊的部分重構(gòu)設(shè)計方法相結(jié)合的設(shè)計方法，并重點(diǎn)研究了在系統(tǒng)設(shè)計過程中如何針對系統(tǒng)實現(xiàn)需求進(jìn)行系統(tǒng)部件選型與設(shè)計以及在系統(tǒng)自重構(gòu)過程中如何解決對內(nèi)部配置訪問端

7、口進(jìn)行驅(qū)動等關(guān)鍵問題。實驗驗證了本論文所提設(shè)計方法的可行性和有效性以及自重構(gòu)計算系統(tǒng)具有的重構(gòu)性能優(yōu)勢。綜上所述，本論文所做工作的主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在以下三個方面： 1)提出了一種具有開發(fā)便捷、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的基于模塊的部分重構(gòu)設(shè)計方法，并在國內(nèi)外首次將基于模塊的部分重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于加密算法的設(shè)計與實現(xiàn)； 2)提出了多個綜合考慮了計算任務(wù)的歷史執(zhí)行信息及其配置數(shù)據(jù)規(guī)模的部分重構(gòu)過程的配置cache替換策略，有效地減少了配置cac