（信息与通信工程专业论文）动态部分可重构系统的设计方法及可重构计算研究.pdf

1j1ij r e s e a r c ho nd e s i g nm e t h o do fd y n a m i cp a r t i a lr e c o n n g u r a b l e s y s t e ma n dr e c o n n g u r a b l ec o m p u t i n g b y l i uj i e b e ( h u n a ni n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw u q i a n g m a y , 2 0 1 1 舢7m 7m 2 6舢0舢9 胂1胂丫 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者虢毒1 雀， 日期j f 盯月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 茹7 峦夕 物 日期： ”，年矿月2 日 e l 期：加c 年厂月z 7 e l 动态部分可重构系统的设计方法及可重构计算研究 摘要 随着现代数字系统的发展和f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ：现场可编 程门阵列) 生产工艺的进步，促使f p g a 在数字系统设计中的地位从辅助部件提升 到了核心处理器件。基于s r a m 的f p g a 的出现，标志着现代可重构计算的开始。 由于数字系统日趋复杂，因此，设计人员希望能够以较少的资源实现复杂的 系统，使系统的设计由逻辑规模转向分时复用逻辑资源，由固定的逻辑功能转向 灵活可变的逻辑功能，而动态部分可重构技术正好满足此要求。可重构计算利用 可重构器件的现场可编程的特性，使其兼具了硬件的高效性和软件的灵活性，是 当前计算机系统结构领域的研究热点。而动态部分可重构具有的高度灵活性，对 可重构计算进一步的发展具有重要的意义。鉴于动态部分可重构所具有的优势， 本文以动态部分可重构为基础，对可重构计算进行研究，来提高可重构计算系统 的执行效率和资源利用率，解决重构时间对系统性能的影响等问题。 本文研究的内容主要包含两部分：动态部分可重构系统的设计方法和基于动 态部分可重构系统的可重构计算的研究。具体内容如下： ( 1 ) 动态部分可重构是本文的研究基础，为了快速、有效地设计出动态部分 可重构系统，重点研究了动态部分可重构系统的设计方法，并详细阐述了系统的 设计流程。通过与现存设计方法的比较和尝试，采用了基于e a p r ( e a r l y a c c e s s p a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o n ) 的设计方法并配合p l a n a h e a d 工具来设计动态部分可重构 系统，并通过两个具体的应用系统验证了设计方法的有效性和便捷性。 ( 2 ) 设计了一个用于研究可重构计算的动态部分可重构系统，并针对此系统 建立了过程级动态软硬件划分模型，且设计了相应的软硬件划分算法，以减少应 用程序的执行时间。该模型不仅能够根据应用程序中函数的参数信息确定函数的 划分结果，还能够根据程序中函数的执行次数对应用程序进行动态划分，提高了 系统的性能和资源利用率。 ( 3 ) 针对重构时间对可重构计算性能的影响，提出了基于动态部分可重构系 统的顺序型应用程序模块映射算法。该模块映射算法是针对多部分重构区域的， 结合动态部分可重构的特性，通过隐藏重构时间从而达到加速程序执行速度和提 高系统性能的目的，最后通过实验证明了该算法的可行性和有效性。 关键词：动态部分可重构；可重构计算；e a p r ；过程级动态软硬件划分；模块 映射算法；f p g a i l 硕i 二学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ls y s t e ma n dt h ea d v a n c e s o fp r o d u c t i o n t e c h n o l o g yo nf p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，t h es t a t u so f t h ef p g ah a s b e e np r o m o t e df r o mt h ea c c e s s o r yt ot h ec o r ep r o c e s s o rd e v i c ei nd i g i t a ls y s t e m s t h e a p p e a r a n c eo ft h ef p g ab a s e do n s r a mm a r k st h eb e g i n n i n go ft h em o d e r n r e c o n 6 9 u r a b l ec o m p u t i n g a st h ed i g i t a ls y s t e mb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o m p l e x ，t h ed e s i g n e rw o u l dl i k et o h a v ef e w e rr e s o u r c e st oi m p l e m e n tc o m p l e xs y s t e m s ，a n dm a k et h es y s t e md e s i g n s h i f tf r o mt h el o g i c a ls i z et ot i m e s h a r i n gl o g i c a lr e s o u r c ea n df r o mt h ef i x e dl o g i c f u n c t i o nt ot h ef l e x i b l ev a r i a b l el o g i cf u n c t i o n a n d t h e d y n a m i cp a r t i a l r e c o n f i g u r a t i o n ( d p r ) m e e t st h e s er e q u i r e m e n t se x a c t l y r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n g u t i l i z e st h ef i e l d - p r o g r a m m a b l ef e a t u r e so fr e c o n f i g u r a b l ed e v i c e ，m a k i n gi tc o m b i n e s t h ee f f i c i e n c yo fh a r d w a r ea n dt h ef l e x i b i l i t yo fs o f t w a r e ，a n di st h ec u r r e n tr e s e a r c h h o t s p o ti nt h es t r u c t u r eo fc o m p u t e rs y s t e ma r e a s i nt h es a m et i m e ，t h ed p r h a sh i g h f l e x i b i l i t y w h i c hi s i m p o r t a n t f o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fr e c o n f i g u r a b l e c o m p u t i n g i nv i e wo ft h ea d v a n t a g e so fd p r ，t h er e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gb a s e do n d p rs y s t e mi ss t u d i e di n t h i sp a p e r , t oi m p r o v ee x e c u t i o ns p e e da n dr e s o u r c e u t i l i z a t i o n ，a n dt oa d d r e s st h er e c o n f i g u r a b l et i m eo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n ds o 0 n t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rm a i n l yc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h ed e s i g nm e t h o do fd p r s y s t e ma n dr e s e a r c hr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gb a s e do nd p rs y s t e m d e t a i l sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt od e s i g nad p rs y s t e mq u i c k l ya n de f f e c t i v e l y , t h ed e s i g nm e t h o d o ft h ed p rs y s t e mi sf o c u s e da n dt h ed e s i g nf l o wi sd e s c r i b e dd e t a i l l yi nt h i sp a p e r w h i c hi sb a s e do nd p r b yc o m p a r i s o nw i t h e x i s t i n gm e t h o d s ，t h e r e s u l to f e x p e r i m e n t s h o w st h a tt h em e t h o db a s e do ne a p r ( e a r l y a c c e s sp a r t i a l r e c o n f i g u r a t i o n ) a n dt o o l su s i n gp l a n a h e a dc o u l dc o m p l e t et h es y s t e md e s i g no f d p rm o r ee f f e c t i v e l y , a n df i n a l l yt h ee f f e c t i v e n e s sa n dc o n v e n ie n c eo ft h ed e s i g n m e t h o da r ev e r i f i e db yt w os p e c i f i ce x a m p l e s ( 2 ) d e s i g nad p rs y s t e m f o r r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n g ，a n dp r o p o s e t h e p r o c e d u r e - l e v e ld y n a m i c h w - s wm o d e la n dd e s i g nt h er e l e v a n tp a r t i t i o n i n g a l g o r i t h mf o rt h ed p rs y s t e mt or e d u c ee x e c u t i o nt i m eo fa p p l i c a t i o np r o g r a m t h e d p rs y s t e mn o to n l yc a nd i v i d et h e s ef u n c t i o n so ft h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi n t o i l l 动态部分可蕈构系统的设计方法及可蕈构计算研究 h a r d w a r eo rs o f t w a r ea tr u n - t i m ea c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e ri n f o r m a t i o no ft h e s e f u n c t i o n s ， b u ta l s oc a ni m p l e m e n td y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n t a p p l i c a t i o np r o g r a m sa c c o r d i n g t ot h et i m e so ft h e s ef u n c t i o n st oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fs y s t e m ( 3 ) a i m i n ga tt h er e s t r i c t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o nt i m e t ot h ep e r f o r m a n c eo f r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n g ，t h em o d u l em a p p i n ga l g o r i t h mb a s e do nd p rt e c h n o l o g y f o rs e q u e n t i a la p p l i c a t i o n si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a n di ti sf o rm u l t i m o d u l e s ，a n d c o m b i n e sw i t ht h eh i g he f f e c t i v e n e s sa n df l e x i b i l i t yo fd p r ，a n da l s oh i d e st h e c o n f i g u r a t i o n t i m et or e d u c e p r o g r a m e x e c u t i o nt i m ea n d i m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h ea l g o r i t h mi s v e r i f i e db ya na p p l i c a t i o ne x a m p l e ，a n dt h e r e s u l ts h o w st h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ea p p r o a c h 。 k e yw o r d s ：d y n a m i cp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o n ；r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n g ；e a p r ； p r o c e d u r e l e v e ld y n a m i c h w s w p a r t i t i o n i n g ；m o d u l em a p p i n g a l g o r i t h m ；f p g a i v 硕l ：学位论文 昌昌昌寡詈毫置鼍- - = 。- - 宣鼍霉皇毒毫詈詈詈曹詈詈詈詈暑皇鲁暑詈曼詈詈巴詈= 詈詈皇皇皇詈皇詈皇= 昌詈暑皇皇詈! 詈詈兰詈詈皇皇皇暑= 暑毫詈詈鲁宣鲁詈= 詈皇詈詈篁皇皇兰皇暑葛暑葛詈葛= 暑暑昌昌墨= 詈昌詈詈暑高皇詈薯 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引一v i i i 附表索引x 第1 章绪论1 1 1课题来源1 1 2 课题背景和意义一l 1 2 1f p g a 和可重构片上系统的发展1 1 2 2 动态可重构技术2 1 2 3 可重构计算一3 1 2 4 研究的意义4 1 3 相关研究现状5 1 4 本文主要工作6 1 4 1 研究目标6 1 4 2 研究内容7 。 1 5 本文的组织结构7 第2 章动态部分可重构技术基础一9 2 1 f p g a 基础知识9 2 1 1f p g a 的体系结构9 2 1 2 基于s r a m 的f p g a 简介一l o 2 2 动态部分可重构基础理论1 3 2 2 1 可重构技术1 3 2 2 2 动态部分可重构技术1 3 2 3 实验环境介绍：1 4 2 3 1x i l i n xv i r t e x i ip r o 开发板1 4 2 3 2 开发工具介绍1 6 2 4 可重构系统的重要组件介绍1 7 2 5 本章小结2 0 第3 章动态部分可重构系统的设计方法研究2 1 3 1 引言2 l v 动态部分可苇构系统的设计方法及可蕈构计算研究 3 2 动态部分可重构系统的基本结构一2 1 3 3 动态可重构系统的设计方法研究现状2 2 3 3 1 基于j b i t s 的设计方法2 3 3 3 2 基于差异的设计方法，一2 3 3 3 3 基于模块的设计方法一2 4 3 4 基于e a p r 的动态部分可重构设计方法一2 4 3 4 1 基于e a p r 的设计方法2 4 3 4 。2 基于e a p r 的动态部分可重构系统设计流程2 5 3 4 3e a p r 的两种实现方式的比较一2 9 3 5 动态部分可重构系统的应用实现研究3 0 3 5 1d e s 应用系统3 0 3 5 2 音频滤波器系统3 8 3 6 本章小结一4 0 第4 章面向可重构系统的软硬件划分方法研究4 1 4 1 研究问题4 l 4 2 基于动态部分可重构的计算系统体系结构4 1 4 3 系统编程模型一4 2 4 4 过程级动态软硬件划分模型4 3 4 4 1 确定函数参数4 4 4 4 2 划分策略及方案一4 4 4 4 3 划分算法流程图一4 6 4 5 过程级动态软硬件划分模型的特征4 6 4 6 实验及结果分析4 7 4 7 本章小结5 2 第5 章面向可重构计算系统的模块映射算法研究5 3 5 1 引言5 3 5 2 问题描述5 4 5 3 模块映射策略5 4 5 3 1 模块映射算法模型5 4 5 3 2 模块映射算法流程图5 7 5 3 3 模型实例5 7 5 4 初步实验及结果分析5 9 5 5 本章小结6 2 总结与展望6 3 参考文献6 5 v i 硕二l 学位论文 致谢6 9 附录a 读研期间发表学术论文和参与科研项目7 0 v l l 动态部分可重构系统的没计方法及可重构计算研究 插图索引 1 1 动态可重构逻辑：基于s r a m 的f p g a 2 2 1f p g a 体系结构的一般构造9 2 2 以s r a m 为基础的可编程单元1 0 2 3x i l i n x 公司f p g a 芯片内部的结构1 1 2 4f p g a 中c l b 结构示意图1 l 2 5 典型的4 输入s l i c e 结构示意图1 2 2 6x u pv i t r t e x i ip r o 开发板的实物图一15 2 7f p g a 开发流程和各个阶段使用的i s e 设计工具一1 6 2 8e d k 配置文件的组织结构1 7 2 9 重构过程中配置数据的流图1 8 2 1 0p o w e r p c 4 0 5 处理器模块结构1 8 2 1 li c a p 硬件系统结构框图1 9 2 1 2a c e 控制器的内部结构和外部接口一2 0 3 1 动态部分可重构系统的基本结构框图2 2 3 2 文件组织结构2 6 3 3 动态部分可重构系统的设计流程图2 7 3 4x d l 语言设计基于s l i c e 的总线宏的语法2 8 3 5 命令行方式设计动态部分可重构系统的流程图2 9 3 6 系统整体框图3 0 3 7 静态系统的结构3 0 3 8 顶层模块对外提供的接口3 1 3 9 静态系统、部分重构区域以及总线宏在顶层模块的接口一3 2 3 1 0 静态系统的组成部分3 3 3 1 1 重构模块对外的接口3 4 3 1 28 - b i t s 带使能端基于s l i c e 的总线宏的结构和设计结果3 5 3 1 3 利用p l a n a h e a d 设计动态部分可重构系统的流程图3 5 3 1 4 静态模块中的部分约束文件3 6 3 1 5d e s 应用系统中的各部分布局布线图3 6 3 1 6 重构d e s 加密和解密模块的实验结果3 7 3 1 7 音频滤波器的结构图3 8 3 1 8 音频滤波器系统的重构资源分配情况3 9 3 1 9 音频滤波器系统的布局布线图4 0 v i i i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕k 学位论文 4 1 基于动态部分可重构的计算系统的结构4 2 4 2 系统编程模型4 3 4 3 过程级软硬件划分算法的流程图4 6 4 4 过程级软硬件划分模型的实例4 7 4 5 动态部分可重构系统布局布线图4 8 4 6 程序在系统上运行的结果51 4 7p r 0 1 到p r 0 5 划分前后时间比较5 1 5 1 模块映射算法流程图5 7 5 2 模块映射算法任务图一5 8 5 3 程序中任务不同执行方式所用的时间一5 9 5 4 模块映射算法的实验平台布局布线图5 9 5 5 程序的划分方案及其任务映射结果6 0 5 6 程序测试结果截图6 0 5 7 程序经模块映射算法后的效果比较6 1 i x 图图图图图图图图图图图图图图 动态部分可重构系统的设计方法及可霞构计算研究 附表索引 2 1x c 2 v p 3 0 片内资源15 3 1 动态部分重构系统资源使用情况一3 7 3 2 比特流文件大小和重构时间一3 8 4 1 可重构系统s l i c e 资源使用情况一4 8 4 2 应用程序中函数的确定性参数测试结果4 9 4 3 测试应用程序经过程级软硬件划分的实验结果4 9 5 1 任务的资源和时间的测试结果6 0 5 2 任务的划分结果和所映射的结果6 1 5 3 程序的三种执行方式所用的时间一6 2 x 表表表表表表表表表 硕上学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于8 6 3 国家高技术发展计划项目：面向可重构片上系统的过程 级动态软硬件划分研究。本项目为了解决现有可重构片上系统开发工具的不足， 如：系统功能描述与系统实现之间的鸿沟、软硬件设计难协调以及繁琐的开发流 程，采用系统设计人员熟悉的方式来描述系统的功能，并采用软硬件统一的编程 模型，以研究和发展灵活和高效的软硬件划分工具为目标，重点研究过程级动态 软硬件划分方法，目的就是为了设计并实现一套面向可重构片上系统的工具，以 便设计人员利用该工具将应用系统所需完成的功能有效地映射到执行软件程序的 微处理器和实现硬件逻辑的可重构器件上。主要研究的内容包括：软硬件统一编 程模型；提供统一封装和管理各种资源的软硬件协同函数库；可重构系统开发及 实现；以及过程级软硬件协同设计技术等。 可重构片上系统( r e c o n f i g u r a b l es y s t e m o n c h i p ，r s o c ) 将可重构逻辑器件、 微处理器核以及其它电路模块共同集成到单个芯片中，利用可重构器件的可重配 置和微处理器的可编程的特性可以结合成一个具有高灵活性和高效运算的平台。 本文从软硬件统一编程模型出发，对可重构系统的开发及实现，面向可重构系统 的可重构计算这两方面进行研究。主要侧重于动态部分可重构系统的开发和实现， 以便设计人员快速有效地设计出动态部分可重构系统，另外，试图利用动态部分 可重构的特性，来提高可重构计算的性能。 1 2 课题背景和意义 1 2 1f p g a 和可重构片上系统的发展 自1 9 8 4 年推出第一款f p g a 至今，f p g a 设计已经与固定架构芯片的设计 变得同样复杂，门数量的增加和生产工艺的进步，使得f p g a 的设计走到技术的 前沿。f p g a 已经不再仅仅作为设计原型平台，现今的数百万门的f p g a 器件已 经完全能够支持高性能、大批量产品的设计；f p g a 在数字系统中的开发地位也 已经从胶合逻辑的配角上升到核心处理器件【i 】。考虑到f p g a 所具有的灵活性和 可编程性，设计的便捷性，以及系统设计成本低等优点，使得f p g a 在许多的工 业设计中成为最佳的选择，同时，也受到许多研究人员的青睐。2 0 0 7 年10 月份， x i l i n x 公司全球c t oi v ob o l s e n s 先生在清华大学题为“f p g a ：t h ef u t u r ep l a t f o r m f o rt r a n s f o r m i n g ，t r a n s p o r t i n ga n dc o m p u t i n g ”的演讲报告中就指出了f p g a 未来应 动态部分可重构系统的设计方法及可重构计算研究 用的三大领域：数字处理中的信号变换、高速交换中的数据收发以及求解中的复 杂计算2 1 。 目前，f p g a 的已经进入“可重构片上系统”发展的新纪元。可重构片上系 统是一种特殊的嵌入式微处理器系统，一方面，它是片上系统( s o c ) ，能够将过去 的多块电路板的功能集成到单片芯片中，并能够在单片芯片上完成整个系统的功 能，从而可以提高系统的安全性，可靠性，缩小物理尺寸，降低成本；另一方面， 它是可编程系统，设计方式灵活多变，具有现场可编程特性，便于裁减、扩充以 及升级系统的功能，因此，可重构片上系统成为了半导体工业和嵌入式领域研究 热点，也是当今业界在快速原型技术和系统解决方案上的主要手段之一。可重构 片上系统的发展表明了传统的软件可编程和硬件可编程正逐渐走向融合。 x i l i n x 公司的高端v i r t e x 系列f p g a 可以实现可重构片上系统，为本文动态 部分可重构系统的研究提供了硬件平台。 1 2 2 动态可重构技术 基于s r a m 的f p g a 的出现为电子学领域带来了一种全新的概念：动态可重 构，也就是说，设计在不脱离上层系统的情况下可以被重新配副”。s r a m 是静 态存储器，其具有高度的可靠性，基于s r a m 的f p g a 按点阵分布这些s r a m 单 元。f p g a 含有大量的可编程逻辑单元和寄存器等资源，这些资源以不同的互连 方式连接在一起可以实现多种功能，主系统通过往f p g a 中的s r a m 下载新的 配置 器和 一层 当系 重新 硕：卜学位论文 动态部分可重构，利用基于s r a m 的f p g a 的逻辑结构特性，在系统运行的 过程中能够对f p g a 上的部分逻辑进行重配置，而未经配置的部分的逻辑功能不 发生改变。由于可重构器件f p g a 具有硬件可编程特性，使得动态部分可重构即 具有软件的灵活性，又具有硬件的高效性。动态部分可重构能够分时复用f p g a 的逻辑资源，因此，利用动态部分可重构可以使系统的设计从传统的追求大规模、 高密度的方向转向追求用有限的资源实现更大规模的系统设计的方向上来，从而 提高逻辑资源的利用率。动态部分可重构在增加系统设计的灵活性的同时可以降 低硬件尺寸或功耗，提高系统资源的利用率1 4 j ，因此，在面临成本、资源和功耗 等问题时，动态部分可重构技术无疑为之提供了比较好的解决方案。由于动态部 分可重构存在的优势，使其在嵌入式系统、可重构计算、通信系统、高速数字滤 波器、图像视频压缩等方面都有着广泛的应用前景。 动态部分可重构需要具有特殊结构的硬件支持，x i l i n x 公司的v i r t e x 系列 f p g a 支持动态可重构技术。动态部分可重构其技术是先进的，但是其潜能确实 革命性的，它带来了数字系统设计方法和设计思想的变革，已经成为国内外f p g a 的研究热点，也是本文主要研究内容之一。 1 2 3 可重构计算 可重构计算( r e c o n n g u r a b l ec o m p u t i n g ，r c ) 是f p g a 的一个应用领域，是在 基于s r a m 的f p g a 出现后，人们才开始对其展开深入研究，现已逐渐成为国际 上计算机领域的一个研究热点，并且有了较大的发展。 可重构计算是对处理器计算模式和a s i c 计算模式两大模式的权衡，是一种 新型的时空域计算模式，其利用可重构器件f p g a 的硬件可编程性，使其兼具了 a s i c 计算模式的高效性和处理器计算模式的灵活性f 5 j 。其主要目标就是利用 f p g a 的可编程特性，来适应计算任务变化的需求，以达到最佳计算性能；并且， 其硬件结构多可变的特点，能更好地适应实际应用中的多元化的需求【6 j 。 由于对可重构计算的理解因人而异，因此至今还没有对可重构计算概念具有 明确的定义。a n d r e 和j o h nw a w r z y n e k 在广义上给出了可重构计算系统应该具有 的两个特点【_ 7 】1 ) 硬件器件能够根据计算任务进行定制；2 ) 能够为计算任务提 供足够的定制空间。考虑所研究的可重构计算系统及运行的硬件平台，本文将可 重构计算理解为：可重构器件f p g a 可以配置执行某种专门的任务，随后也可以 按照系统的需求重配置来执行其他的任务【3 j 。 可重构计算多采用微处理器和可重构器件相结合的混合体系结构，可重构器 件为基于s r a m 的f p g a 。传统的f p g a 架构存在一个局限，每次对f p g a 重新 配置时，必须对整个器件进行重新配置，不能仅对部分逻辑资源进行配置；另外， 在配置的过程中需要停止对整个f p g a 器件的操作，并且f p g a 中所有寄存器的 动态部分可重构系统的设计方法及可重构计算研究 值在配置过程中丢失，因此，可重构计算采用基于s r a m 的f p g a ，这种f p g a 结构能够支持动态部分可重构，从而可以保证计算任务调度的实时性，这也是基 于s r a m 的f p g a 的问世是标志现代可重构计算开端的原因。基于s r a m 的f p g a 除了支持动态可重构外，还具有以下特性【3 】： 不破坏可重构器件f p g a 的输入和输出； 不破坏系统时钟； f p g a 器件中未经重配置的逻辑部分可以继续正常运行； 重配置期间f p g a 内部寄存器的信息不会丢失，即使正在重配置的区域也 是如此。 虽然基于s r a m 的f p g a 的出现促进了可重构计算的发展，但是其存在一个 局限，那就是重新配置任务到f p g a 所指定的逻辑区域需要较长的时间开销( 从计 算机的角度来看) ，这个时间开销就是所谓的重构时间，因为在配置f p g a 时用的 是串行的数据流或者8 位宽的并行数据流；并且高端f p g a 的s r a m 配置单元可 能多达数千万之多，这样就需花销几秒钟的时间来重新配置这些单元p j 。 可重构计算及如何克服重构时间对可重构计算性能的限制等问题引起许多在 从事高性能计算的研究人员的关注，本文将在动态部分可重构系统上对可重构计 算进行研究。 1 2 4 研究的意义 动态部分可重构允许系统运行的过程中，对f p g a 上的部分资源进行重新配 置来实现新的功能，而未经配置的部分保持正常工作，从而快速实现系统功能的 变化。动态部分可重构具有高度的灵活性，能够动态地( 或者说是运行时) 替换系 统的功能，并且还能够时分复用f p g a 的资源，总之，动态部分可重构不仅具有 灵活性，还具有减少硬件消耗、降低功耗、节省重构时间和存储空间、提高资源 利用率等优点，动态部分可重构的这些优点和灵活性使其应用范围越来越广，使 得许多全新的应用领域成为可能，例如：硬件远程升级、容错技术等哺j 。动态部 分可重构带来了设计方法和设计思想的变革，它和传统的f p g a 的设计方法不同， 具有更加严格的规范和要求，并且在现有的动态可重构系统设计过程中，缺乏便 捷并通用的设计方法；另外，考虑到现在设计能力和制造能力之间的鸿沟，动态 部分可重构系统的设计需要迫切地提高设计效率，因此，利用现有的技术条件， 研究有效的、快速的动态部分可重构系统设计方法对设计人员具有重要的指导意 义【9 , 1 0 】。 可重构计算的思想最早是由加利福尼亚大学的g e r a i de s t r i n 教授提出，并研 制了原型系统，这为可重构计算以后的发展与研究奠定了基础】。基于s r a m 的 f p g a 具有快速重新配置资源的特性，这一特性刚好满足可重构计算结构的要求， 硕士学位论文 它的问世标志着现代可重构计算的开端。可重构计算的出现使传统意义上的硬件 和软件的界限变得模糊，其本质是利用f p g a 的可编程特性，根据系统的需要改 变f p g a 的逻辑功能，来适应计算任务的需求【汜】。高效性和高灵活性是动态部分 可重构所具有的优势，因此，利用动态部分可重构的优势，来研究新型的可重构 计算系统，或改进可重构计算系统的性能，对高性能计算具有重要的意义。 1 3 相关研究现状 现在欧美国家在动态可重构方面已经有比较深入的研究，推出了大量的设计 模型平台和科研论文成果，并在航空航天和军事等领域应用此技术；国内在动态 可重构方面的研究相对而言还比较滞后，证处于一个起步的阶段，虽然目前也取 得了一些成果，但是为了减少与欧美国家的差距，还需有待进一步深入研究。 动态可重构系统的设计方法是系统设计的基础，在设计方法方面做了研究工 作有：浙江大学的尚丽娜阐述了基于模块的部分可重构方法，并通过实验验证了 部分可重构的优势【1 3 】；浙江大学的朱凯科在基于模块的动态可重构和基于 b i t s t r e a m 的动态可重构两种方法上展开研究，并分别进行实践，通过把两种思路 结合在一起来指导进一步的工作【1 4 j ；湖南大学的赵远宁在x i l i n xv i r t e x i ip r o 开 发板上采用命令行的方式详细阐述了基于模块的动态部分可重构系统的设计方法 和实现过程【l5 】；大连理工大学的李鹏飞对自重构系统的设计方法进行了研究，并 设计了一个多媒体信息处理系统来验证了采用的设计方法【l6 1 ，b k r i l l 提出了一种 动态部分可重构系统的设计方法