【摘要】：隨著復(fù)雜應(yīng)用對(duì)計(jì)算系統(tǒng)性能的要求不斷提高，采用單一微處理器已不能滿足海量數(shù)據(jù)處理的需要，迫切需要一種高速可靠的計(jì)算系統(tǒng)。目前，研究高性能計(jì)算的一個(gè)重要課題是可重構(gòu)計(jì)算，將微處理器和可重構(gòu)硬件嵌入到一個(gè)系統(tǒng)中，結(jié)合微處理器的靈活性與ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的高效性能，達(dá)到軟件的靈活與硬件的優(yōu)化。 可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的核心是可重構(gòu)硬件單元，可以通過配置成不同的硬件邏輯來實(shí)現(xiàn)多種功能和應(yīng)用。國外在可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)方面已進(jìn)行了大量的研究，并且有些研究成果已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域取得了成功。其研究采用的可重構(gòu)硬件有兩種：用于可重構(gòu)系統(tǒng)的特殊FPGA(Field Programmable Gate Array)和專門開發(fā)用于可重構(gòu)計(jì)算研究的芯片。然而，目前國內(nèi)不具備這方面的條件，對(duì)可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)還處于一個(gè)學(xué)習(xí)階段。在這種前提下，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式可重構(gòu)并行計(jì)算系統(tǒng)，并對(duì)可重構(gòu)計(jì)算的相關(guān)理論進(jìn)行了研究。 本文首先介紹了可重構(gòu)計(jì)算的特點(diǎn)、發(fā)展和應(yīng)用，按單元粒度、耦合程度、配置容量和重構(gòu)方式對(duì)可重構(gòu)計(jì)算分別進(jìn)行討論，并研究了可重構(gòu)計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)：模型結(jié)構(gòu)、編譯技術(shù)、快速重構(gòu)、芯片集成和任務(wù)調(diào)度。折衷考慮可行性和系統(tǒng)性能后，利用RISC微控制器作為主控制器，多塊通用FPGA芯片構(gòu)成可重構(gòu)處理單元陣列，提出一種嵌入式可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。通過對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟、硬件組成的詳細(xì)介紹和討論，以及仿真和樣機(jī)的實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)需求，在此平臺(tái)上可以進(jìn)行可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)方面的研究。 可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中，多個(gè)可重構(gòu)處理單元構(gòu)成一個(gè)多機(jī)并行系統(tǒng)，任務(wù)調(diào)度策略是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本文對(duì)實(shí)時(shí)并行系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度理論進(jìn)行了深入的討論，分析了表調(diào)度算法、任務(wù)復(fù)制調(diào)度算法、任務(wù)集群調(diào)度算法和隨機(jī)搜索調(diào)度算法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，在可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度中引入有向無環(huán)圖DAG
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號(hào)】：TP338.6
【圖文】：

第二章可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)兩部分組成。該系統(tǒng)的硬件和軟件盡管抽象層次不高但均技術(shù)尚不完善，故Estrin研制的系統(tǒng)只是其理論設(shè)計(jì)的了以后可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)12刀。將微處理器與ASCI的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，既有通用處理器效的硬件電路，以達(dá)到軟件的靈活及硬件的優(yōu)化。無論，還是相互之間的連線，都可以被反復(fù)重新編程�？芍貥�(gòu)微處理器處理效率低和Ascl器件編程不靈活的缺點(diǎn)128]，活性對(duì)比如圖2.2所示:

Reeonfiguration)，也稱為編譯時(shí)重構(gòu)(Compile一me砒eonn腳ation)[42]。靜態(tài)重構(gòu)中，芯片內(nèi)一般只能存儲(chǔ)一個(gè)配置文件，新的配置必然會(huì)覆蓋掉已有的配置，如圖.24所示:圖.24靜態(tài)重構(gòu)一般的FPGA芯片即屬于靜態(tài)重構(gòu)方式，在系統(tǒng)上電時(shí)對(duì)芯片配置，系統(tǒng)運(yùn)行過程中不能再改變配置邏輯。如果重構(gòu)過程可以與程序執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，那么這種重構(gòu)稱為動(dòng)態(tài)重構(gòu)(DnyamciReconfiguartoin)。動(dòng)態(tài)重構(gòu)中，一般芯片內(nèi)可以存儲(chǔ)多個(gè)配置文件，進(jìn)行新的配置中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士學(xué)位論文

嵌入式可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)及其任務(wù)調(diào)度機(jī)制的研究不會(huì)覆蓋已有的配置，而且配置之間的切換可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，如圖.25所示:圖.25動(dòng)態(tài)重構(gòu)動(dòng)態(tài)重構(gòu)采用的方式有多配置文件和配置緩存[43]，兩者的基本思想是一樣的，都是將配置文件存儲(chǔ)在片上或片外的緩存中，這樣可以減小配置改變的時(shí)間開銷。還有一種重構(gòu)方式稱為部分重構(gòu)(PartiallyReconfiguartnin)，這種硬件支持只對(duì)部分硬件邏輯進(jìn)行重構(gòu)，即可以只重新配置硬件邏輯的一部分，而另一部分可以繼續(xù)正常工作，如圖.26所示:圖.26部分重構(gòu)動(dòng)態(tài)重構(gòu)和部分重構(gòu)必須芯片支持，即需要開發(fā)特殊的可動(dòng)態(tài)重構(gòu)和部分重構(gòu)的芯片，片上集成可重構(gòu)硬件邏輯和配置文件存儲(chǔ)器，以及控制配置的邏輯電路。目前只有一些國外的大學(xué)和公司的研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行這方面的研究和實(shí)踐

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本文編號(hào)：2749886