【摘要】： 可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)作為一種新的計(jì)算平臺，將傳統(tǒng)通用微處理器的可編程性同硬件電路基于空間并行的執(zhí)行方式結(jié)合起來，打破了硬件和軟件之間傳統(tǒng)的劃分界線。既能夠提供近似于專用集成電路的執(zhí)行效率，又可針對不同計(jì)算任務(wù)進(jìn)行不同的優(yōu)化，擁有類似于通用微處理器的靈活性。 目前可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)多是采用將可重構(gòu)硬件作為協(xié)處理器同一個(gè)通用微處理器核耦合在一起，二者在硬件結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致前者只適合執(zhí)行程序中計(jì)算量大、控制簡單的那部分“計(jì)算密集型”代碼，由后者執(zhí)行剩余的控制比較復(fù)雜、計(jì)算量較少的代碼。因此需要根據(jù)程序代碼自身的性質(zhì)，對其進(jìn)行軟硬件劃分，確定使用可重構(gòu)硬件執(zhí)行的代碼，以及在通用微處理器核上的代碼。此外可重構(gòu)硬件只能使用硬件描述語言進(jìn)行編程的特性也是限制可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)被廣泛使用的重要因素之一。 為在編譯過程中自動對輸入的高級語言編寫的源程序進(jìn)行軟硬件代碼劃分，并將其中使用可重構(gòu)硬件執(zhí)行的代碼自動轉(zhuǎn)換成HDL程序，本文從以下三個(gè)方面開展相應(yīng)的研究工作： 底層可重構(gòu)硬件建模。為在編譯過程中有效地對輸入程序進(jìn)行軟硬件代碼劃分，必須了解底層計(jì)算平臺的硬件結(jié)構(gòu)，因此需要在研究現(xiàn)有模型及其建模方法的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)合適的建模方法，能夠清晰、準(zhǔn)確地描述可重構(gòu)硬件的硬件結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)，進(jìn)而向編譯器提供軟硬件代碼劃分所需要的各種參數(shù)信息。 代碼自動轉(zhuǎn)換技術(shù)和電路圖布局方法�？芍貥�(gòu)硬件采用類似于專用集成電路的硬件執(zhí)行方式，為快速而準(zhǔn)確地計(jì)算一段程序代碼在可重構(gòu)硬件上的執(zhí)行時(shí)間，以及在片上構(gòu)建相應(yīng)電路所需的配置時(shí)間，提高軟硬件代碼劃分的效果，需要使用代碼自動轉(zhuǎn)換技術(shù)，根據(jù)輸入的源程序生成一個(gè)電路圖，并使用一個(gè)布局算法將該電路圖映射到可重構(gòu)硬件上某個(gè)指定的區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而按照一定規(guī)則計(jì)算其硬件執(zhí)行時(shí)間和配置時(shí)間。由于目前可重構(gòu)硬件只能使用硬件描述語言(HDL)進(jìn)行編程，還需要根據(jù)電路圖自動生成對應(yīng)的HDL程序。 軟硬件代碼劃分技術(shù)�？芍貥�(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中擁有微處理器核以及可重構(gòu)硬件這兩個(gè)相對獨(dú)立，能夠并行工作的計(jì)算部件，因此需要在研究現(xiàn)有劃分方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合任務(wù)調(diào)度方法和減少配置開銷技術(shù)，提出一個(gè)更為有效的軟硬件代碼劃分技術(shù)，充分利用微處理器核與可重構(gòu)硬件能夠并行工作這一特性，以及程序中潛在的數(shù)據(jù)并行性，減少程序運(yùn)行過程中的系統(tǒng)重構(gòu)開銷，縮短程序執(zhí)行時(shí)間，提高系統(tǒng)性能。 本文的研究工作成果及創(chuàng)新特色如下： 1)提出一種基于資源種類和位置信息的FPGA硬件結(jié)構(gòu)建模和描述方法。按照片上硬件資源的種類、位置和數(shù)量信息對FPGA的硬件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并采用一種層次化描述方法對模型進(jìn)行描述。實(shí)驗(yàn)表明，這種建模方法是可行的。 2)提出一種基于IP核的代碼轉(zhuǎn)換機(jī)制。在已有IP核庫支持下，通過將程序數(shù)據(jù)流圖中的結(jié)點(diǎn)按照其執(zhí)行的操作替換為對IP核實(shí)例的調(diào)用，自動生成該段程序?qū)?yīng)的電路圖，在對其進(jìn)行流水段劃分后，自動生成相應(yīng)的HDL程序。IP核的HDL代碼是預(yù)先生成的，使得自動生成電路圖的HDL程序變得非常簡單，同時(shí)IP核內(nèi)部的資源都已事先完成布局和布線，減少了編譯過程中需要進(jìn)行的硬件綜合以及布局布線的工作量，可以減少編譯過程所需時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明，該種代碼轉(zhuǎn)換機(jī)制能夠有效降低自動生成HDL程序的難度。 3)提出一種用于將電路圖映射到可重構(gòu)硬件上的布局算法。該算法在已有IP核庫以及底層可重構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)模型的支持下，在可重構(gòu)硬件上一個(gè)指定的區(qū)域內(nèi)，對使用基于IP核代碼轉(zhuǎn)換機(jī)制得到的程序電路圖進(jìn)行布局。同現(xiàn)有任務(wù)布局算相比，第一，允許任務(wù)之間通過片上資源進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；第二，能夠?qū)⑹褂锰厥赓Y源的任務(wù)圖布局到擁有特殊資源的可重構(gòu)硬件上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相對于現(xiàn)有EDA工具中的布局器，布局速度平均能夠提高4個(gè)數(shù)量級，同時(shí)也直接顯示出基于IP核代碼轉(zhuǎn)換機(jī)制的優(yōu)勢。 4)提出一種基于鏈?zhǔn)秸{(diào)度的軟硬件代碼劃分技術(shù)。通過將鏈?zhǔn)秸{(diào)度與代碼劃分結(jié)合起來，使用在編譯過程中估計(jì)的程序運(yùn)行時(shí)間作為評價(jià)一個(gè)劃分方案好壞的標(biāo)準(zhǔn)；并在調(diào)度過程中通過配置預(yù)取，用程序中的有效計(jì)算掩蓋可重構(gòu)硬件的重構(gòu)開銷，減少程序執(zhí)行時(shí)間，充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同現(xiàn)有劃分方法相比，能夠?qū)⒊绦驁?zhí)行時(shí)間平均減少20％以上。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TP302
【圖文】：

并負(fù)責(zé)對可重構(gòu)硬件進(jìn)行配置，可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中往往還集成一個(gè)功能相對較弱的通用微處理器核。現(xiàn)有可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中微處理器核同可重構(gòu)硬件的禍合方式主要有三種(圖1一1所示):l)可重構(gòu)硬件作為一個(gè)獨(dú)立的可重構(gòu)功能部件(RFU，Reconfigurable FunctionalUnit)與微處理器核集成在一個(gè)芯片里面【8，9]。通過對原有指令集進(jìn)行擴(kuò)充，加入指定RFU功能的配置指令和指示RFU開始執(zhí)行計(jì)算的調(diào)用指令。這種禍合方式的優(yōu)點(diǎn)是RFU能夠快速地訪問微處理器核中的寄存器文件，因此通信延時(shí)非常小;缺點(diǎn)是RFU中的硬件資源數(shù)量嚴(yán)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文PipeRench使用可重構(gòu)流水線結(jié)構(gòu)(圖1一5所示)處理像多媒體應(yīng)用那樣，對大量不同長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行相對簡單操作的應(yīng)用，并且根據(jù)不同應(yīng)用設(shè)定不同的數(shù)據(jù)通路�？芍貥�(gòu)流水線的構(gòu)建是基于“虛擬流水線”這樣一種硬件虛擬技術(shù)，通過對一個(gè)物理流水段進(jìn)行配置，使其成為擁有不同邏輯功能的流水段，從而能夠使用一個(gè)長度為p的物理流水線實(shí)現(xiàn)一個(gè)長度大于p的邏輯流水線，同時(shí)還可以根據(jù)需要對流水段的狀態(tài)進(jìn)行保存，并于一定時(shí)間以后通過恢復(fù)流水線的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行上次中斷的計(jì)算。 MMMIPSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSCaeheee同同同同同同同同同同同同同同同同 同同 同 同團(tuán) 團(tuán) 團(tuán)團(tuán) 團(tuán) 團(tuán)團(tuán)團(tuán)團(tuán)團(tuán)團(tuán)團(tuán)團(tuán)團(tuán)團(tuán)團(tuán) ]]]]]口口門門 lll、 lll}lll口 口口口口口口口 口刊 刊 口口 口、 、 lll]]]}}}口口口 口門門口口門門 lll口口習(xí) 習(xí) 習(xí) 口口口口 口 口口 口口 口口 口口口 ]]]口口口 口口口口口 ]]]]]口口口口刁 刁 刁 刁 口口 口口口 ]]]月 月口 口 ]]]口 口口口門門 ]]]]]]門門口口門門 ]]]]]]]]]口口 口 口 口 口 曰曰 曰門 門口口門 門口 口門門 nnn口 口門 門口口門門門門 ]]]]]]口口門門口口 ]]]口口 ]]]]]]]]]]]---222爵 爵 爵嚎 嚎 嚎f二 二 二大〕〕烤 fff

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 汪高武;;基于可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J];四川兵工學(xué)報(bào);2012年04期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

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本文編號：2718232