（计算机系统结构专业论文）部分重构计算系统的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 可重构计算是一种新型的时空域计算模式，它利用了可重构逻辑器件的可重构 特性，同时具有类似处理器的以在线编程方式实现各种应用的灵活性和类似专用集 成电路的以硬件方式执行计算任务的高性能，是当前计算机系统结构领域的研究热 点。部分重构技术作为可重构计算技术的重要发展趋势，能够在系统重构过程中对 可重构逻辑器件上的部分资源进行重新配置，而不会影响到其它的可重构逻辑资源。 相比较之前的可重构计算技术，部分重构技术具有更细粒度的时空域计算特征，能 够有效地改善可重构计算系统的执行性能、资源利用率以及重构灵活性等技术指标。 虽然当前的可重构逻辑器件已经对部分重构技术提供了相当充分的支持，但是 因为现有的部分重构设计方法普遍存在着设计门槛高、通用性弱等缺陷，所以部分 重构计算系统的应用领域受到了极大的制约。针对这一现状，本论文提出了一种具 有设计便捷、通用性强等优点的基于模块的部分重构设计方法。该方法首先将应用 合理地划分为具有可重构属性或者固定属性的模块，然后借鉴模块化设计方法学的 思路完成各个模块的设计与实现，最终利用可重构逻辑器件的部分重构特性实现系 统的运行时重构。本论文还针对利用基于模块的部分重构设计方法实现具有不同结 构特征的加密算法进行了深入研究，有效地解决了算法实现过程中存在的模块间协 同设计、时序调整以及通讯通道设计等关键问题。实验验证了本论文所提设计方法 的有效性以及部分重构计算系统具有的低资源占用量、高重构性能等优势。 和所有的可重构计算系统一样，部分重构计算系统的重构过程是整个系统的性 能瓶颈。围绕如何缓解这一瓶颈效应，现有很多研究被展开，配置c a c h e 技术就是其 中之一。与传统的计算系统使用的c a c h e 技术不同，部分重构过程的配置c a c h e 替换 过程需要充分考虑可重构计算技术的时空域计算特征。针对配置c a c h e 的这一特点， 本论文提出了多个基于代价函数的替换策略，其中各个代价函数均由反映系统执行 时间域特征的计算任务历史执行信息和反映系统执行空间域特征的计算任务配置数 据规模等两个部分构造而成。相比较现有的配置c a c h e 替换策略，本论文所提的算法 更有效地利用了计算任务的历史执行信息，因此能够做出更优化的配置c a c h e 替换决 策。实验表明本论文提出的部分重构过程的配置c a c h e 替换策略能够有效地降低 c a c h e 替换过程的时间开销，提高系统的执行性能。 随着半导体技术的进步，当前的可重构逻辑器件上已经可以集成“数以百万计” i i 摘要 的基本逻辑门资源以及多种多样的用于提高系统性能的粗粒度计算逻辑单元。其中， 一类能够在器件内部嵌入处理器的可重构逻辑器件的出现，使得新型的自重构计算 系统引起了业界的广泛关注。自重构计算系统通过嵌入在可重构逻辑器件内部的处 理器完成对系统重构过程的控制，无需调用器件外部的配置端1 2 ，能够提高重构性 能、减少相关外设。现有的基于可重构逻辑器件的嵌入式系统开发流程不能够直接 为自重构计算系统的研发提供足够的支持，因此本论文提出了一种将其与基于模块 的部分重构设计方法相结合的设计方法。并重点研究了在系统设计过程中如何针对 系统实现需求进行系统部件选型与设计以及在系统自重构过程中如何解决对内部配 置访问端口进行驱动等关键问题。实验验证了本论文所提设计方法的可行性和有效 性以及自重构计算系统具有的重构性能优势。 综上所述，本论文所做工作的主要贡献体现在以下三个方面： 1 ) 提出了一种具有开发便捷、通用性强等优点的基于模块的部分重构设计方法， 并在国内外首次将基于模块的部分重构技术应用于加密算法的设计与实现； 2 ) 提出了多个综合考虑了计算任务的历史执行信息及其配置数据规模的部分重 构过程的配置c a c h e ：替换策略，有效地减少了配置c a c h e 替换过程的时间开销； 3 ) 提出了将现有基于可重构逻辑器件的嵌入式系统开发流程与基于模块的部分 重构设计方法相结合的设计方法，设计并实现了动态可重构的自重构计算系统。 关键词：可重构计算，部分重构设计方法，配置c a c h e 替换策略，自重构计算系统 本论文的工作得到国家自然科学基金( n o 6 0 2 7 3 0 4 2 ) ，高等学校博士学科点专项 科研基金( n o 2 0 0 5 0 3 5 8 0 4 0 ) ，安徽省自然科学基金( n o 0 7 0 4 1 2 0 3 0 ) 的支持。 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gi s an o v e lc o m p u t i n gd i a g r a mi nt h et e m p o r a l s p a t i a l d o m a i n i td e p e n d so i lt h er e c o n f i g u r a b l ec h a r a c t e ro fr e c o n f i g u r a b l el o g i cd e v i c e s r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e m c a nb e p r o g r a m m e dl i k e sp r o c e s s o r f o rh i g h e r f l e x i b i l i t y , a n dc a l le x e c u t et h et a s ki nh a r d w a r em o d e l i k e sa s i cf o rh i g h e rp e r f o r m a n c e ， s oi t i st h eh o t s p o to fc u r r e n tc o m p u t e ra r c h i t e c t u r er e s e a r c hf i e l d a st h em o s ti m p o r t a n t d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gt e c h n o l o g y , p a r t i a lr e , c o n f i g u r a t i o n c a nr e c o n f i g u r eap a r to fr e s o u r c e so fr e c o n f i g u r a b l el o g i cd e v i c ew h i l et h er e m a i n d e r c o n t i n u e st oo p e r a t e c o m p a r i n gw i t ht h ef o r m e rr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gt e c h n o l o g y , i t h a sb e t t e rt e m p o r a l - s p a t i a ld o m a i nc o m p u t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v e e x e c u t i o n p e r f o r m a n c e ，r e s o u r c e u t i l i z a t i o na n d r e c o n f i g u r a t i o nf l e x i b i l i t y o f r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e m n o w a d a y s ，r e c o n f i g u r a b l el o g i cd e v i c e sh a v ep r o v i d e dp l e n t yo fs u p p o r t sf o rp a r t i a l r e c o n f i g u r a t i o n ，b u tl a c ko fc o r r e s p o n d i n gd e s i g nm e t h o db a d l yr e s t r i c t st h ea p p l i c a t i o n r a n g eo fp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o n t of i n dam o r eg e n e r a l ，a n do fc o l l r s ee a s i e ra n dm o r e e f f i c i e n ts o l u t i o nt ou s eo fp a r t i a lr e c o n f i g u r a b l et e c h n o l o g y , t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa m o d u l e - b a s e d p a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o nd e s i g n m e t h o d t h i sm e t h o d p a r t i t i o n s t h e a p p l i c a t i o ni n t ot h er e c o n f i g u r a b l em o d u l e sa n df i x e dm o d u l e sf i r s t l y , t h e nd e s i g n se a c h m o d u l eb yu s i n gm o d u l a rd e s i g nm e t h o d o l o g y , a n df i m a l l yi m p l e m e n t st h ef u n t i m ep a r t i a l r e c o n f i g n r a t i o n i na c t u a l d e v i c e s b yu s i n gf o r e g o i n gm e t h o d , s e v e r a li m p o r t a n t e n c r y p t i o nm e t h o d sa r ei m p l e m e n t e d , a n ds o m er e l a t e dk e yt e c h n i c a li s s u e ss u c h 船 c o o p e r a t i o nb e t w e e nm o d u l e s ，c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sd e s i g na n dt i m i n ga d j u s t i n g s c h e m ea r er e s o l v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o m p a r i s o n si nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f s u g g e s t e dm e t h o dw i t ht h o s eo fo t h e r sd e m o n s t r a t ei t se f f e c t i v e n e s sa n ds h o wt h a tt h e p a r t i a lr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e mc a nr e d u c et h er e s o u r c ec o s t ，a n di m p r o v et h e r e c o n f i g u r a t i o np e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l y l i k ea l lt h eo t h e rr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e m s ，r e c o n f i g u m t i o np r o c e s si sa s e r i o u sp e r f o r m a n c eb o t t l e n e c ko fp a r t i a lr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e m , a n dt h e c o n f i g u r a t i o nc a c h ei so n eo ft h em o s te f f e c t i v es o l u t i o n st od e c r e a s ei t t h ec o n f i g u r a t i o n i v a b s t r a c t c a c h et e c h n o l o g yo fp a r t i a lr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e mi sd i f f e r e n tf r o mt h ec a c h e t e c h n o l o g i e si nt h et r a d i t i o n a lc o m p u t i n gs y s t e m sb e c a u s eo fi t st e m p o r a l - s p a t i a ld o m a i n c o m p u t i n g c h a r a c t e r i s t i c s t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t s s e v e r a l c o n f i g u r a t i o n c a c h e r e p l a c e m e n ts t r a t e g i e so fp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o np r o c e s sb a s e do np e n a l t yf u n c t i o n sw h i c h c o m p o s e do ft h eh i s t o r i c a le x e c u t i o ni n f o r m a t i o na n dt h es i z eo fc o n f i g u r a t i o nd a t ao ft a s k c o m p a r i n gw i t ht h ef o r m e rs t r a t e g i e s ，t h ea l g o r i t h m si nt h i s d i s s e r t a t i o nh a v eb e t t e r t r a d e o f fb e t w e e nl r ua n dl f u , s ot h a tt h e yc a nm a k ea no p t i m a lr e p l a c e m e n td e c i s i o n s i m u l a t i o n e x p e d m e n t a lr e s u l t s d e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h e r e p l a c e m e n t s t r a t e g i e s t h a tt h e yc a nr e d u c et h en u m b e ro fr e p l a c e m e n tp r o c e s sa n de c o n o m i z e r e c o n f i g u r a t i o nt i m e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , t h ec u r r e n tr e c o n f i g u r a b l el o 舀c d e v i c e sh a v ei n t e g r a t e dm i l l i o n so fb a s i cl o g i cg a t e sa n dp l e n t yo fs p e c i f i cc o a r s e g r a i n e d c o m p u t i n gl o g i cu n i t s e s p e c i a l l y , t h er e c o n f i g u r a b l el o g i c d e v i c ew i t he m b e d d e d p r o c e s s o rm a k e st h en e ws e l f - r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e ma t t r a c tt h ew i d ea t t e n t i o n s e l f - r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e mu s e st h es p e c i f i cc i r c u i t si nt h er e c o n f i g u r a b l el o g i c d e v i c et oc o n t r o lt h er e c o n f i g n r a t i o np r o c e s so ft h ed e v i c ei t s e l fw i t h o u tc a l l i n gf o ro t h e r e x t e mc o n f i g u r a t i o np o r t s ，s oi tc a l li m p r o v er e c o n f i g n r a t i o np e r f o r m a n c ea n dr e d u c et h e r e l a t e dp e r i p h e r a l s b e c a u s et h ee x i s t i n gd e s i g np r o c e s so fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do n r e c o n f i g u r a b l el o g i cd e v i c e si sn o ts u i t a b l ef o rd e v e l o p i n gs e l f - r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n g s y s t e md i r e c t l y , an e wm e t h o dw h i c hi n t e g r a t e se x i s t i n gd e s i g np r o c e s sa n dm o d u l e b a s e d p a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o nd e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n i na d d i t i o n , t h i s d i s s e r t a t i o nd o e ss o m er e s e a r c h e so nh o wt os e l e c tt h ep r o p e rh a r d w a r ei p st om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs y s t e md e s i g na n dt h ek e yi s s u e s o fh o wt o d r i v et h ei n t e r n a l c o r l f i g u m t i o na c c e s sp o r to fr e c o n f i g n r a b l el o g i cd e v i c ew h i l et h er e c o n f i g u r a t i o np r o c e s s i s r u n n i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h em e t h o di se f f e c t i v e ，a n da l s or e v e a lt h e b e n e f i t so fs e l f - r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e m n en o v e l t i e sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e ： 1 1p r e s e n t sam o d u l e b a s e dr e c o n f i g u r a t i o nd e s i g nm e t h o d ，a n di m p l e m e n t ss e v e r a l i m p o r t a n te n c r y p t i o nm e t h o d sb yu s i n gm o d u l e b a s e dp a r t i a lr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n g t e c h n o l o g yf o rt h ef i r s tt i m e t h em e t h o di sf e a s i b l ea n du s e f u l ，a n d h a sa g o o dv e r s a t i l i t y a b s t r a c t v 2 、p r e s e n t ss e v e r a lc o n f i g u r a t i o nc a c h er e p l a c e m e n ts t r a t e ：g i e s o f p a r t i a l r e c o n f i g u r a t i o np r o c e s sw h i c hp a tt h eh i s t o r i c a le x e c u t i o ni n f o r m a t i o na n dt h es i z eo f c o n f i g u r a t i o nd a t ao ft a s ki n t ot h es a m er e p l a c e m e n tp e n a l t yf u n c t i o n t h es t r a t e g i e sc a n r e d u c et h et i m ec o s to fc o n f i g u r a t i o nc a c h er e p l a c e m e n te f f e c t i v e l y 3 ) p r e s e n t sas e l f - r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e md e s i g nm e t h o dw h i c hi n t e g r a t e s e x i s t i n gd e s i g np r o c e s so fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do nr e e o n f i g u r a b l el o g i cd e v i c e sa n d m o d u l e - b a s e dr e c o n f i g u r a t i o nd e s i g nm e t h o d ，a n di m p l e m e n t sas e l f - r e c o n f i g u r a b l e c o m p u t i n gs y s t e mw i t hd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o na b i l i t y k e y w o r d s ：r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gt e c h n o l o g y , p a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o nd e s i g nm e t h o d ， c o n f i g u r a t i o nc a c h er e p l a c e m e n ts t r a t e g y , s e l f - m c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gs y s t e m t h i sr e s e a r c hi sf i n a n c e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 6 0 2 7 3 0 4 2 ) ，t h e r e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a lp r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o nc n o 2 0 0 5 0 3 5 8 0 4 0 ) a n d a n h u in a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n 心o 0 7 0 4 1 2 0 3 0 ) 图表目录 图表目录 图1 1 未来半导体产业发展趋势的预测4 图1 2 三种计算模式的时空域计算特征( 以计算y = a x 2 + b r + c 为例) 。5 图1 3 三种计算模式的执行性能和编程灵活性的比较示意图7 图1 4 静态重构技术的示意图8 图1 5 动态重构技术的示意图。9 图1 6 整体动态重构技术的示意图：9 图1 7 部分动态重构技术的示意图l o 图1 8 部分重构技术能够提高可重构逻辑器件的计算任务密度1 1 图1 9 部分重构技术能够缩短计算任务的启动时间1 3 图2 1 基于s r a m 的f p g a 编程原理一1 9 图2 2 具有单一上下文的可重构逻辑器件2 1 图2 3 具有多重上下文的可重构逻辑器件2 1 图2 4 支持部分重构的可重构逻辑器件2 2 图2 5 可重构逻辑器件作为通用处理器中的功能单元2 3 图2 6 可重构逻辑器件作为通用处理器的协处理器2 3 图2 7 可重构逻辑器件作为通用处理器的附加处理单元2 4 图2 8 可重构逻辑器件作为通用处理器外部的处理单元2 4 图2 9 处理器核被嵌入到可重构逻辑器件中2 5 图2 1 0x i l i n xv i r t e x - i ip r of p g a 的体系结构示意图 2 6 图2 1 1x u pv m e x i ip r o 开发系统2 8 图3 1f p g a 上的各种类型的模块布局示意 图3 2 总线宏的实现逻辑3 5 图3 3 基于模块的部分重构设计方法流程3 5 图3 4d e s 加密算法的步骤示意3 9 图3 5 模块间的时序调整策略。 图3 6 a e s 加密算法的步骤示意4 2 图3 7 利用基于模块的部分重构设计方法实现s - d e s 算法的总线宏设计4 5 图3 8 利用基于模块的部分重构设计方法实现s - d e s 算法的原理图4 5 图4 1l f u m i n a 算法的代价函数5 7 图4 21 - dl f u - m i n a 算法的代价函数5 9 图4 3 可重构逻辑资源空间的清理算法 图4 41 - dl f u - m i n a 算法的描述 图4 5l r u l f u m i n a 算法的描述“ 图4 6 改进的l r u - l f u m i n a 算法的描述。6 6 图4 7 不同替换策略在不同配置c a c h e 容量下的执行功效6 9 图4 8 不同替换策略对配置c a c h e 替换时间延迟的影响7 0 图5 1 利用x i l i n xe d k 开发嵌入式系统的流程 图5 2m mc o r e c o n n e c t 总线结构示意图 图5 3 自重构d e s 加密系统的基本结构设计。8 0 图表目录xlii 图5 4 自重构d e s 加密系统的设计流程8 l 图5 5m i e r o b l a z e 软核处理器的结构框图8 2 图5 6 自重构d e s 加密系统的硬件平台框架。8 4 图5 7f s l 总线接口的信号定义8 5 图5 8 自重构d e s 加密系统的d e s 加密算法核的接口设计8 6 图5 9x i l i n xw t r t e x i ip r of p g a 的配置数据帧的地址格式8 9 图5 1 0x i l i n xv i r t e x 一p r of p g a 资源列物理位置与其相应配置数据帧m j a 的映射9 0 图5 1 l 自重构d b s 加密系统中的计时器设计9 0 表1 1 不同可重构计算技术的执行特征比较1 0 表3 1s d e s 、s - a e s 、s - a n u b i s 加密算法的基本信息4 4 表3 2 硬件实现s d e s 的性能比较4 6 表3 3 硬件实现s - d e s 的资源占用量比较。4 7 表3 4 硬件实现s d e s 的重构数据规模和重构时间比较。4 7 表3 5 硬件实现s - a e s 和s - a n u b i s 的性能比较鸫 表3 6 硬件实现s - a e s 和s - a n u b i s 的资源占用量比较4 8 表3 7 硬件实现s - a e s 和s - a n u b i s 的重构数据规模和重构时间比较4 9 表5 1i b mc o r e c o n n e c t 总线结构的三种总线技术的功能和基本特征。7 7 表5 2m i c r o b l a z e 软核处理器的接口描述 表5 3f s l 总线接口信号的功能描述8 5 表5 4i c a p 端口主要a p i 列表。8 7 表5 5x i l i n xv t r t e x i ip r of p g a 的资源配置数据的列类型8 8 表5 6x i l l n xv t r t e x hp r of p g a 的配置数据帧的块地址分类8 9 中国科学技术大学学位学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有 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、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 。7 年r 月l o 日 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师周学海教授的悉心指导下完成的。在攻读博士期间， 周老师传授给了我丰富的专业知识和研究方法，他一丝不苟的学风、平易近人的品 格、积极乐观的态度使我受益匪浅。他的精心指导、严格要求、中肯教诲以及无微 不至的关心和支持，使我在科研、工作、生活等各个方面都获得了极有价值的锻炼 和提高。我能取得的每一分进步，都饱含着周老师的无限心血。 感谢赵振西教授和龚育昌教授。两位老师的渊博学识和长者风范，特别是他们 对工作的执著和对生活的热爱，一直深深地感染着我，激励着我要把事情做得更好。 感谢李曦老师和熊悦老师。李老师具有的敏锐洞察力总能发现问题的关键，帮 助我及时修正研究方向；他严谨的治学态度和勤恳的工作作风永远是我学习的榜样。 熊老师最早将我带上了科研道路，即使是离开了学校他也一直在关心着我的成长。 感谢i n t e l 中国研究中心的刘东博士。刘博士对我的研究工作给予了极大的关注 和指导，为我提供最前沿的业界信息，拓宽我的研究视野、激发我的研究灵感。 感谢计算机应用实验室的各位同学，我们一起度过了紧张、愉快的科研生活， 留下了很多美好的回忆。特别是罗赛、齐骥、胡楠、王恚刚、沈英哲、纪金松，他 们是我研究工作中的亲密伙伴，没有他们的支持与帮助就没有本论文工作取得的成 果；还有余洁、王宇砀、冯晓静，他们都为本论文的完成付出了辛勤的劳动。 感谢中国科学技术大学p b 9 7 1 1 班、$ a 0 2 1 1 班、b a 0 4 1 1 班的全体同学。和大家 在科大从相识到相知，将是我受用终生的宝贵财富。特别要感谢刘圆和林勇，在紧 张的科研工作中，是他们带给我无私的帮助和切实的安慰。 感谢中国科学技术大学计算机科学技术系对我的多年培养。感谢包括王煦法教 授、顾乃杰教授，杨寿保教授、岳丽华教授、于天顺老师、李胜柏老师、卢贤若老 师、王学祥老师、郑启龙老师、孙广中老师在内的各位老师对我的谆谆教诲。师恩 浩荡，永志难忘i 感谢我的爸爸、妈妈、姑姑、姑父、哥哥、嫂子。读书这么多年，对家里的亏 欠太多太多，正是他们不计回报的支持与鼓励在一直鞭策着我不断前进。感谢我的 女朋友陈艾。我们互相扶持、共同进步，她是我生活中一抹亮丽的色彩。 最后，感谢所有我爱的人和爱我的人! 感谢我的科大十年i 第1 章绪论 第1 章绪论 自从电子计算技术于上个世纪四十年代中期发明以来，人们对计算性能无止境 的追求直接推动着计算技术的迅猛发展。当前，为大众熟知的传统计算模式有处理 器和专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cl u t e g a t e dc i r c u i t s ，a s i c ) 两种： 1 ) 处理器模式。它使用的计算部件是各种通用处理器和专用的嵌入式处理器。 应用该计算模式首先需要将用户编写的软件程序代码编译为相应处理器指令集中的 指令序列，然后由处理器通过执行这些指令序列完成计算任务。处理器计算模式的 优势在于它可以灵活地完成各种计算任务。当任务需求发生变化时，用户只要在软 件层面上对程序傲相应的修改，就可以改变计算系统实现的功能和性能，而无需改 动系统底层的硬件环境。但是，其缺点在于它的运算速度较慢。 2 ) a s i c 模式。它使用的计算部件是针对某一特定应用专门设计的硬件集成电 路。应用该计算模式首先需要对用于执行计算任务的逻辑电路进行设计，再通过综 合、仿真、布局布线、时序分析等众多步骤后，才能最终完成a s i c 芯片的制造。 a s i c 计算模式的优势在于它是针对特定计算任务进行的专门设计，可以为任务中的 操作提供优化的硬件数据通路，支持多个操作的并行执行，具有很高的性能。但是， 其缺点在于前期开发周期长、次性工程( n o n - r e c u r r i n ge n g i n e e r i n g ，n r e ) 代价 高；而且硬件电路在制造完成后，其计算功能很难被灵活改变。 通过上述的简要分析可以获知，当前的主流计算模式中存在的主要问题是：处 理器计算模式能够灵活地实现各种计算任务。但是在性能上存在缺陷；a s i c 计算模 式虽然性能较高，却不能够灵活地应对计算任务的改变。为了有效地解决计算性能 和实现灵活性之间的权衡词题，自从上个世纪九十年代末至今，可重构计算 ( r e c o n f i g u r a b l e c o m p u t i n g ) 技术逐渐成为高性能计算系统研究的热点。 本章的内容组织如下：第1 节介绍可重构计算技术的定义和发展历史，并从根 本上分析可重构计算具有的时空域计算特征，比较它与其它计算模式的差异；第2 节介绍部分重构技术的概念和优势，部分重构技术是当前可重构计算技术的重要发 展趋势，也是本论文研究的主要内容；第3 节阐述并分析当前部分重构技术研发中 存在的若干难点和阅题；最后给出本论文的研究目标和拟解决的关键阅题。 2 第1 章绪论 1 1 可重构计算技术概述 1 1 1 可重构计算技术的定义 从不同的角度出发，研究者们对可重构计算技术的理解也不尽相同。当前，能 够被广泛接受的定义是由加州大学伯克利分校的a n d r 6d e h o n 和j o h n w a w r z y n e k 在 1 9 9 9 年的第3 6 届a c m i e e e 设计自动化国际会议上提出的。他们采用了与其它计 算系统的组织结构做比较的方式，在广义上给出了可重构计算系统应该具有的两个 关键特点【1 l ：1 ) 能够在硬件器件制造后针对计算任务进行定制；2 ) 能够为计算任务 提供大量的可以定制的执行空间。这两个特点分别弥补了传统的a s i c 计算模式不具 备制造后可改动的能力以及处理器计算模式不能够为操作提供专用数据通路的缺 陷，阐明了可重构计算系统必须同时具备灵活性和高效性等特征。 k a t h e r i n ec o m p t o n 和s c o t th a u e k 在2 0 0 2 年发表的文献【2 】( 这是迄今为止可重 构计算技术研究领域中最重要的综述文章之一) 中对当前研究的主流可重构计算系 统进行了更具体的定义：可重构计算系统是结合了硬件编程能力的系统。其中，硬 件编程是指通过改变一系列物理控制点的方式对硬件应该如何工作进行定制；控制 点的改变将导致硬件的执行功效发生相应的改变。 综合上述定义，可重构计算技术需要依赖于硬件器件的可编程重构特性，以便 在计算过程中能够将硬件器件定制为计算任务所需的功能部件。因此，硬件器件的 可重构能力是研究可重构计算技术的基础，它不仅体现在那些构成可重构逻辑器件 的各个硬件部件所实现的计算功能能够重构，还应该体现在那些存在于各个硬件部 件间的互连结构能够重构【3 1 。 当前研究的可重构计算系统往往采用由一片或多片可重构逻辑器件与一个通用 处理器相耦合的结构【2 1 ( 相关内容参见第2 2 节) 。其中，可重构逻辑器件可以是为 构建系统专门定制的，也可以是商业化的器件；它负责处理计算任务中计算密集的 算法核心部分，能够以硬件电路的方式提高计算任务的执行性能。系统中的通用处 理器则主要负责可重构计算系统的资源管理和任务调度；同时它还负责执行计算任 务中那些不适合或者不能够采用硬件逻辑实现的部分，例如递归操作。每一层递归 都需要使用相同的计算资源，而递归的层数又往往不能够在任务执行完成之前获得， 这直接导致硬件电路无法为其预留出足够的计算资源，因此此类计算只能在通用处 第1 章绪论 理器上实现。 1 1 2 可重构计算技术的发展历史 1 9 6 3 年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的g e r a i de s t r i n 等研究者首先提出了 可重构计算的概念并研制了原型系统，他