【摘要】：動態(tài)可重構硬件加速技術利用現(xiàn)場可編程器件的可編程資源，，通過硬件電路邏輯實現(xiàn)高速運算。其核心流程是將原本軟件實現(xiàn)的運算動態(tài)地優(yōu)選出最適合于硬件實現(xiàn)的部分移植到可編程器件上，通過動態(tài)可重構硬件的邏輯電路實現(xiàn)。 在可重構計算已有的研究中，大都是從應用程序的源代碼的人工或者輔助分析出發(fā)，定位出使用頻度最高的部分，然后改寫并將計算任務遷移到可編程器件上執(zhí)行。這種從源代碼級別開始的協(xié)同設計流程由于需要大量的人工參與，使得設計過程效率低下，也難以在運行時動態(tài)評價和選取適合于硬件實現(xiàn)的部分。 本文的工作針對上述問題，對可重構計算中硬件加速器的自動化實現(xiàn)方法開展研究。通過在運行過程中對目標應用程序進行動態(tài)分析，實時地劃分和選取適合于硬件實現(xiàn)的模塊，最終根據(jù)資源和收益的準則對軟硬件功能劃分進行優(yōu)化。以可滿足性問題（SAT）求解為例，具體實現(xiàn)了硬件加速器對軟件系統(tǒng)的性能改進。論文工作的具體內容如下： （1）提出運行時基本代碼塊模型（RBBL），該模型有效地對程序的運行模式動態(tài)地進行識別和描述。模型可以有效地將程序運行過程中各個運行時代碼塊之間的控制依賴性和數(shù)據(jù)依賴性進行記錄，分析提取并評估基本代碼模塊，用以指導軟硬件的劃分和動態(tài)可重構模塊的構造。 （2）在分析應用程序運行特性的基礎上，提出了基于軟件運行時計算模式的面向可重構硬件加速的軟硬件劃分方法。計算模式定義為一組有邏輯聯(lián)系和數(shù)據(jù)相關性的操作，它由連續(xù)或者不連續(xù)的代碼片斷構成，能夠完成特定的計算任務，是軟硬件劃分的粒度模型。在這種模型指導下，硬件實現(xiàn)的部分可以表達和處理一個完整的給定規(guī)模遞歸求解問題，計算模式之外的軟件部分則處理遞歸計算的高端迭代過程。該方法保證了計算任務內部在運行時的邏輯聯(lián)系和數(shù)據(jù)依賴，具有節(jié)省控制和數(shù)據(jù)通信開銷的優(yōu)勢。 （3）研究并實現(xiàn)了大規(guī)模并發(fā)模式的SAT求解硬件加速器，提高SAT問題的求解效率。利用面向軟硬件功能劃分的軟件自動化分析工具得出SAT求解算法的運行特性和計算模式�；谟嬎隳Ｊ降膭澐址椒▽AT問題求解過程中的子問題求解過程作為軟硬件劃分的基本單元提取出來，完成軟硬件功能劃分。SAT問題特有的計算模式通過大規(guī)模并發(fā)的實現(xiàn)方式部署到可重構計算器件運行，最后獲取求解性能的收益。與其他的以SAT子句為硬件加速對象的硬件加速器相比較，文中的SAT求解硬件加速器能夠壓縮實際體現(xiàn)出來的問題復雜度，在求解高難度SAT問題時具有性能優(yōu)勢。
【圖文】：

任務完成以后，可變邏輯部分將被部署上新的電路邏輯以適應新的計算任務需求。如圖1.1所示，可重構計算系統(tǒng)由兩個部分構成：固定邏輯電路部分F和可變邏輯電路部分V。其中，固定邏輯部分是通用的處理器，在上面運行的軟件部分負責任務的調度和對可變處理邏輯的控制�？勺冞壿嫴糠謱⒏鶕�(jù)計算任務的需要，適時地改變內部的電路邏輯，以硬件邏輯的方式完成設定的計算任務。當一個計算任務完成以后，可重構部分可以被替換為新的電路邏輯以適應新的計算任務需求。由于同時具備了兩種不同的計算方式，這種可重構的體系結構就同時具備了可編程的靈活性和專用計算芯片的高效率。圖1.1最初的可重構計算體系結構設想[1]這種可定制的硬件計算邏輯同時具備了可編程的靈活性和專用計算芯片的高效率。由于相關研究水平的限制，雖然當時的器件技術和軟件設計技術并不能完美的支持這種通過可改變外圍設備電路邏輯的方法，來獲取高計算性能的設計，但是這種非馮式結構的計算體系開辟了計算機技術的一個新的研究領域[1]。而且

編譯器視角下的邏輯代碼片段單元運行時基本指令塊和高級語言編譯技術定義的基本指令塊類似，也是一段不會再被拆分的指令序列，但是也有著明確的不同之處。如圖2.3所示，運行時基本代碼塊根據(jù)其定義，是根據(jù)程序運行過程中行為規(guī)律進行劃分的，而不再依賴于源程序語言的邏輯和語法結構。例如，0x401054出的指令和0x401056處的指令分屬不同的運行時基本代碼塊。執(zhí)行過程中出現(xiàn)的不會被控制類指令中斷的序列，26
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP331

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 劉功杰,張魯峰,李思昆;遺傳算法在軟硬件劃分中的應用[J];國防科技大學學報;2002年02期

2 劉安;馮金富;梁曉龍;楊嘯天;;基于遺傳粒子群優(yōu)化的嵌入式系統(tǒng)軟硬件劃分算法[J];計算機輔助設計與圖形學學報;2010年06期

3 邢冀鵬;鄒雪城;劉政林;陳毅成;;一種基于改進模擬退火算法的軟硬件劃分技術[J];微電子學與計算機;2006年05期

本文編號：2668574