隨著FPGA容量的與日俱增以及自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的迅猛發(fā)展,基于可重構(gòu)邏輯器件的可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)正迅速地成熟起來(lái)�？芍貥�(gòu)計(jì)算結(jié)合了傳統(tǒng)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)點(diǎn),既具有硬件并行計(jì)算的高性能,又具有軟件的靈活性,是實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算的一個(gè)創(chuàng)新性的途徑,已成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)。它在高性能計(jì)算領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景,但也帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn),包括可重構(gòu)系統(tǒng)上應(yīng)用的軟/硬功能劃分、軟/硬任務(wù)調(diào)度、硬件任務(wù)布局和可重構(gòu)資源管理等。 針對(duì)可重構(gòu)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn),本文開(kāi)展的主要工作包括如下幾個(gè)方面: 1、提出了一種面向動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的基于配置預(yù)取和任務(wù)重用的混合任務(wù)調(diào)度算法CTHTSA。傳統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法(包括單CPU上的任務(wù)調(diào)度和多CPU上的并行任務(wù)調(diào)度)為可重構(gòu)系統(tǒng)上的軟硬任務(wù)調(diào)度研究提供了一定的參考,但是不能滿足可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的需要。而目前的可重構(gòu)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度研究大部分沒(méi)有考慮CPU和FPGA的協(xié)同執(zhí)行或針對(duì)硬件任務(wù)的配置時(shí)間因素,只單獨(dú)運(yùn)用了某一種優(yōu)化手段,優(yōu)化效果有限。針對(duì)這種情況,CTHTSA算法充分利用目前可重構(gòu)系統(tǒng)中豐富的CPU核和FPGA資源,實(shí)現(xiàn)軟件任務(wù)和硬件任務(wù)的并行執(zhí)行,并通過(guò)配置預(yù)取和任務(wù)重用來(lái)隱藏硬件任務(wù)的配置開(kāi)銷,以進(jìn)一步減少程序執(zhí)行時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法能有效提高系統(tǒng)的執(zhí)行性能。 2、提出了一種基于改進(jìn)遺傳算法和配置預(yù)取調(diào)度的軟硬功能劃分算法IGCPSPA。該算法將程序的劃分和調(diào)度結(jié)合起來(lái),首先對(duì)問(wèn)題進(jìn)行編碼,完成問(wèn)題域向解空間的映射,然后在進(jìn)化過(guò)程中采用賭輪和精英保留的選擇策略、自適應(yīng)交叉和變異策略對(duì)個(gè)體進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)化到中后期時(shí)采用爬山算法對(duì)個(gè)體進(jìn)行鄰域優(yōu)化搜索,最終獲得了一個(gè)較優(yōu)的軟硬功能劃分方案。采用基于配置預(yù)取的調(diào)度算法對(duì)劃分方案進(jìn)行評(píng)價(jià),調(diào)度算法充分利用CPU核與FPGA并行工作,并在調(diào)度過(guò)程中采用配置預(yù)取策略以隱藏系統(tǒng)的重構(gòu)開(kāi)銷,從而提高了系統(tǒng)整體的執(zhí)行性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了相對(duì)于現(xiàn)有的軟硬件自動(dòng)劃分方法,本文提出的劃分方法的有效性。 3、提出了一種基于任務(wù)緊迫度和布局緊密度的在線任務(wù)調(diào)度算法TUPC。與現(xiàn)有調(diào)度算法的FCFS調(diào)度方式不同,該算法綜合考慮相鄰任務(wù)的相關(guān)特征,選取任務(wù)緊迫度高的任務(wù)優(yōu)先進(jìn)行調(diào)度,同時(shí)在調(diào)度過(guò)程中選擇布局緊密度高的區(qū)域?qū)τ布蝿?wù)進(jìn)行布局。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法能夠有效提高任務(wù)調(diào)度和布局的質(zhì)量,調(diào)度成功率優(yōu)于目前的主流調(diào)度算法。 4、構(gòu)建了異質(zhì)可重構(gòu)器件模型和任務(wù)模型,并提出了芯片負(fù)載率(Chip Load, CL)和特殊負(fù)載率(Special Load, SL)的概念,通過(guò)HM-FF和HT-FF算法測(cè)試證明了CL和SL對(duì)調(diào)度性能的影響。在分析HT-FF算法性能瓶頸的基礎(chǔ)上,提出了基于區(qū)域劃分布局的調(diào)度算法SARP,并進(jìn)一步提出了一種改進(jìn)的區(qū)域劃分布局調(diào)度算法——基于區(qū)域劃分布局共享的調(diào)度算法SARSP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SARSP算法能夠有效地降低異質(zhì)可重構(gòu)結(jié)構(gòu)下任務(wù)調(diào)度的拒絕率。
【學(xué)位單位】：解放軍信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：TP338
【部分圖文】：

信息工程大學(xué)博士學(xué)位論文從而能夠滿足不同 HPC 應(yīng)用需求，提高計(jì)算效率。相對(duì)于目前的 X86 處理器而言，F(xiàn)PGA一般運(yùn)行在較低的時(shí)鐘頻率下，具有較高的內(nèi)存帶寬、突出的并行處理能力（包括指令、數(shù)據(jù)及線程級(jí)的并行）和出色的根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的硬件定制能力。與在服務(wù)器上增加一顆處理器/內(nèi)核相比，在服務(wù)器上增加一顆 FPGA 協(xié)處理器，一般性能可以提高 2 至 3 倍，而功耗則降低 40%，如果根據(jù)應(yīng)用情況對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，性能甚至可以提高 10 倍以上。

圖 2 Surrey 大學(xué)可重構(gòu) SOC 框圖學(xué)的 Morphoing System 工程提出的一種粗粒度的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)64 個(gè)可重構(gòu)元胞（Reconfigurable Cell, RC）排成的陣列，每個(gè)算單元（ALU-MULT）、兩個(gè)多路選通器（MUXA、MUXB），可應(yīng)用于多媒體數(shù)據(jù)處理和圖像處理等[18]。公司和廠商也推出了相應(yīng)的高性能可重構(gòu)計(jì)算平臺(tái)相關(guān)產(chǎn)品的 SRC-6 硬件平臺(tái)和 Carte 軟件環(huán)境[19][20]，Cray公司的XD1超構(gòu)特定應(yīng)用計(jì)算平臺(tái) Altix/RASC[22]、StarBridge 公司的 HC-llatech 公司的 Ben 系列 FPGA 卡、DIME 系統(tǒng)和 FUSE 軟件[24隨著可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)高效能計(jì)算的更高追建造下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)的重要技術(shù)。術(shù)概述算發(fā)展歷史采用一種新型的計(jì)算模式，由通用 CPU 負(fù)責(zé)根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，

傳統(tǒng)的 CPU 計(jì)算是一種基于時(shí)域的計(jì)算模式，計(jì)算問(wèn)題被分解成時(shí)域上的運(yùn)算序列，通過(guò)分時(shí)復(fù)用資源來(lái)完成計(jì)算；ASIC 則是一種基于空域的計(jì)算模式；而可重構(gòu)計(jì)算是一種時(shí)/空域上的復(fù)合計(jì)算模式。圖3顯示了三種計(jì)算模式處理y = A*x*x + B*x + C的過(guò)程[38]。圖 3 三種計(jì)算模式的比較圖 3(a)中問(wèn)題 1 被分解為 5 條指令，依次順序執(zhí)行每條指令將輸出最終運(yùn)算結(jié)果。從其計(jì)算過(guò)程可知，雖然 CPU 的硬件結(jié)構(gòu)固定不變，但通過(guò)不同的指令流能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能，即 CPU 計(jì)算具有很高的通用性。這是 CPU 計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也造成了它的一系列缺點(diǎn)，包括：不能為特定的應(yīng)用算法優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)；指令集的有限性造成向硬件映射效率的不理想；關(guān)鍵路徑上可能存在一些計(jì)算浪費(fèi)；循環(huán)、跳轉(zhuǎn)等控制指令造成的時(shí)鐘周期浪費(fèi)。上述種種，使得 CPU 計(jì)算模式的性能難以進(jìn)一步提高。ASIC 執(zhí)行上述算法的過(guò)程如圖 3(b)所示。根據(jù)功能需求

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李春生;可重構(gòu)多核片上系統(tǒng)軟硬件協(xié)同優(yōu)化算法研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王沖;基于嵌入式的半虛擬化應(yīng)用系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D];西南交通大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2820741