可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、在嵌入式系統(tǒng)快速發(fā)展的今天,以無(wú)線通信、數(shù)字媒體、移動(dòng)計(jì)算等為代表的新一代應(yīng)用,對(duì)電子設(shè)備的速度、功耗、集成度、成本以及靈活性等多個(gè)方面提出了苛刻的要求。在軍事航天領(lǐng)域,則更加看重可靠性、重量、體積、能耗。微小衛(wèi)星等應(yīng)用標(biāo)志著國(guó)防科技對(duì)低成本和易用性的重視。從傳統(tǒng)的以通用處理器(GPP)為基礎(chǔ)的軟件執(zhí)行方式,到專用集成電路ASIC為代表的硬件執(zhí)行方式,對(duì)上述的各項(xiàng)指標(biāo)都沒(méi)有得到很好的解決。一方面,GPP以指令驅(qū)動(dòng)方式串行執(zhí)行,功能單元和

2、指令集的有限性使得GPP的性能并不理想。同時(shí)指令流執(zhí)行方式對(duì)存儲(chǔ)器帶寬要求較高。另一方面,ASIC雖然能夠獲得很高的性能,但它并不能滿足日益縮短的設(shè)計(jì)周期的需要。開(kāi)發(fā)難度大,工程費(fèi)用高使得ASIC只有在大批量的時(shí)候才能顯示出其優(yōu)勢(shì)。以高密度FPGA為代表的可重構(gòu)計(jì)算填補(bǔ)了GPP和ASIC之間的空白,兼具高性能和靈活性的特點(diǎn),在各項(xiàng)性能指標(biāo)中取得更好的平衡,獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
　　可重構(gòu)計(jì)算是一種新型的時(shí)空域上的計(jì)算方式?？芍貥?gòu)

3、計(jì)算系統(tǒng)通常包含大量的可編程硬件資源和路由資源。算法在硬件上實(shí)現(xiàn),以空域的方式并行執(zhí)行,可以獲得非常高的性能。同時(shí),系統(tǒng)可以根據(jù)目標(biāo)算法的運(yùn)行時(shí)特征,在時(shí)域上動(dòng)態(tài)調(diào)整硬件,使之更好的匹配算法的數(shù)據(jù)寬度和運(yùn)算特點(diǎn)等,具有更好的靈活性和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。
　　由于半導(dǎo)體技術(shù)歷史發(fā)展的原因,可重構(gòu)計(jì)算最初由用戶設(shè)計(jì)定制的可編程器件實(shí)現(xiàn),之后才逐漸轉(zhuǎn)向使用FPGA之類通用器件的道路上來(lái)。在可重構(gòu)計(jì)算發(fā)展的過(guò)程中,出現(xiàn)了多種多樣的體系結(jié)構(gòu)。從計(jì)算

4、單元考慮有位級(jí)、字級(jí)和混合級(jí)等不同粒度,從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇紤]有一維線性、二維網(wǎng)孔或交叉開(kāi)關(guān)等不同連接方式,從通訊總線考慮有全局共享、局部共享和局部專用等不同的總線形式。體系結(jié)構(gòu)的多樣性為可重構(gòu)計(jì)算的研究和應(yīng)用無(wú)形中設(shè)置了障礙。
　　為解決可重構(gòu)計(jì)算的通用性問(wèn)題,同時(shí)實(shí)現(xiàn)易用和高效的目標(biāo),本文從可重構(gòu)計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，系統(tǒng)性的研究了從系統(tǒng)架構(gòu)、通訊機(jī)制、應(yīng)用系統(tǒng)抽象，到編程模型、功能建模與仿真驗(yàn)證、快速性能評(píng)估、硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)等的一系

5、列問(wèn)題，提出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的P-C通訊模型、RECUPM統(tǒng)一編程模型、基于組合生成法則的TaCope快速性能評(píng)估模型，并根據(jù)項(xiàng)重寫(xiě)理論提出基于規(guī)則推導(dǎo)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)功能建模與仿真框架。
　　本文的創(chuàng)新與貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：
　　1.提出了基于生產(chǎn)者-消費(fèi)者通訊機(jī)制的通用體系結(jié)構(gòu)模型和全新設(shè)計(jì)方法。本文從可重構(gòu)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)可定制性的特征入手，提出通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的不同組態(tài)以影響系統(tǒng)行為的生產(chǎn)者-消費(fèi)者通訊機(jī)制模型，并在此基礎(chǔ)上提出支持

6、末期系統(tǒng)整合的全新的設(shè)計(jì)方法，在模塊編譯完成之后，仍可以通過(guò)任務(wù)描述符在設(shè)計(jì)末期或運(yùn)行期間改變系統(tǒng)的通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的靈活性。
　　2.提出了功能與接口分立、支持動(dòng)態(tài)調(diào)度管理的可重構(gòu)計(jì)算統(tǒng)一編程模型。從可重構(gòu)計(jì)算的功能可定制性的特征入手，本文提出RECUPM統(tǒng)一編程模型。功能分層為系統(tǒng)功能和任務(wù)功能。系統(tǒng)功能被描述為操作原語(yǔ)，由系統(tǒng)軟硬件、編程接口和任務(wù)功能共同實(shí)現(xiàn)。任務(wù)功能與編程接口分立，使得硬件任務(wù)的動(dòng)態(tài)配置更容易實(shí)施。

7、同時(shí)支持后期優(yōu)化以便獲得更高性能。
　　3.提出了基于項(xiàng)重寫(xiě)理論的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)功能建模與仿真框架?；谛蝾惖仁竭壿嫷捻?xiàng)重寫(xiě)理論，適合描述局部與并發(fā)的系統(tǒng)。本文將項(xiàng)重寫(xiě)理論引入到可重構(gòu)系統(tǒng)建模領(lǐng)域，解決數(shù)據(jù)、計(jì)算和通訊等基本元素的描述問(wèn)題，分析動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)中任務(wù)狀態(tài)和高層調(diào)度算法的描述方法，形成一套通用的建模與仿真框架，指出用本框架進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)范描述和系統(tǒng)功能驗(yàn)證的方法。
　　4.提出了支持層次性組合任務(wù)設(shè)計(jì)的快速性能評(píng)估模型