多形态可重构计算机

1、全国抗恶劣环境计算机第十九届学术年会论文集多形态可重构计算机新型体系结构张帆杨帆沈鬆中国航天科工集团第二研究院706所 北京100854摘 更：本文提出了一种多形态可重构计算机体系结构，该结构能够针对特定应用要求合理地分配资源, 从体系结构、部件和I/O接口尊三个不同的级别上进行重构，动杰形成SMP并行、集群或容错等多种系 统结构，并且可以支持各种应用所提出的在线更新要求.关犍词*多形态可重构体系结构52全国抗恶劣环境计算机第十九届学术年会论文集#全国抗恶劣环境计算机第十九届学术年会论文集1引言随着信息化技术的发展，计算机技术得到了 广泛的应用.由于不同的应用环境对计算机的处 理能力具有不同的

2、要求，如要求具有对多并发事 务的并行处理能力、对多媒体数据的高速处理能 力、具备实时响应能力等，因此，计算机在最初 的发展阶段，从体系结构、硬件、软件等各个方 面进行了 “专用化”设计，以满足不同应用环境 的要求.然而，专用化设计的计算机只有在运行 于特定的系统时才会获得较好的性能，从而降低 了系统的灵活性，并且，各种专用芯片的出现使 得系统的设计复杂度越来越高，可揉性大大下降.随着技术的发展，软、硬件设计水平的提高， 通用的处理器己经可以同时满足不同系统对信息 处理的并发性、实时性和处理能力尊不同要求， 计算机系统随之从“专用化设计”过渡到了 “通 用化设计”阶段“通用化”产品设计降低了计算

3、 机的设计复杂度，提高了系统的灵活性和可靠性. 但是传统设计的通用处理器很难同时运行各种不 同的工作负载，而且目标应用的计算、访存和I/O 特征宜接决定了处理器的体系结构，由于没有哪 个体系结构在运行所有的应用时都能达到最优性 能，因此处理器的设计者只能通过调整体系结构 设计来适应目标应用的要求.未来信息化技术发展的环境下，计算机不仅 要满足高效能的要求，更要具备对不同应用环境 的感知能力，能够针对不同应用进行快速部署， 进行架构的动态自适应谓整，动态适应任务的处 理要求，满足多种任务对计算机的需求.由于多 形态可重构技术具有感知应用环境、动态调整架 构的特性，支持异构系统的互通与融合，能够满

4、 足各种不同类型应用对计算平台的需求，充分发 挥计算机运算能力的优势，从而能在一个很宽的 应用范围内达到高性能，非常适合满足计算机未 来发展的需要.本文章节安排如下：第一章为引言；第二章 对可重构技术进行了简单的介绍；第三章提出了 多形态可殖构计算机体系结构：第四章对全文作 以总结.2可重构技术可重构计算(Reconfigurable Computing) 是指系统根据应用的需要，在软件的控制下，利 用系统中的可重用资源，根据变化的数据流或控 制流对系统结构和算法进行重新配賈，将其硬件 模块或(和)软件模块重新构造成一个新的计算 平台，达到接近专用硬件设计的高性能.具有可 直构计算特征的系统称

5、为可重构计算系统1-33多形态可重构计算机新型体系结 构收稿日期* 2009 06- 30可重构计算系统一般都由微处理器和可重构 硬件“耦合”构成.微处理器用来配置可重构硬件、分配I/O端口、完成那些可重构硬件难以有 效执行的计算任务，如变长循环、分支控制、存 储器读写等.可靈构硬件则用于加速计算的核心 部分，主要由一系列可重构的逻辑块、可重构的 互连资源、可与系统中的其它部分灵活连接的接多形态可重:构计算机系统由多个5）计算节 点、一个多形态管理节点、一个可重构控制器（多 形态FPGA阵列）以及存储模块和I/O接口组成， 其体系结构如图1所示.53全国抗恶劣环境计算机第十九届学术年会论文集#

6、全国抗恶劣环境计算机第十九届学术年会论文集图I多形杰可倉构计算机系统体系结构<*fe:n.$tt接n#全国抗恶劣环境计算机第十九届学术年会论文集可重构模块玄构互连模块3.1管理节点管理节点多形态管理节点与用户进行交互， 根据应用环境的需求，控制可重构控制器进行体 系结构的动杰配置.3.2计算节点计算节点负贵系统运行计算任务，各个节点 都带有各自的存储子系统（EEPROM, SRAM, SDRAM Flash等），用于存储程序、计算数据、配置信息 等：计算节点通过接口模块与可靈构控制器连接, 由可重构控制器控制完成不同软件的加载.根据 加载的软件不一样，计算节点独立完成各自的计 算任务既可

7、以形成多个单独的计算机，也可以构 成SMP并行处理、容错计算尊不同体系结构的计 算机.计算节点中毎个CPU都可独立运行操作系 统及应用软件，砍件均存于存储子系统的可擦写 EEPROM中，在可重构控制器及操作系统的管理 下，处理模块能对EEPROU. flash尊非易失存储 器进行重注入，对算法部件进行硬件直构，从而 达到在线更新软硬件的目的.3.3可重构控制器可16构控制器（多形态FPGA阵列）负责控制 任务，它主要接吹多形态管理节点的指令，完成 计算节点软件加莪、多形态管理模块设置等任务， 同时实现SMP并行和容错结构下的计算节点间数 据交换、数据同步和容错管理.可賣构控制器主 要包含PCI

8、总线接口、多形态管理模块、容错模 块、并行数据交换单元、存储访问控制单元和软 件加敦单元等模块，其结构如图2所示：图2可构控制容结构3.3.1多形杏管理模块多形态管理模块是多形态可重构计算机系统 中最重要的模块，主要由可霓构模块、重构互连 模块和可重构桥接模块组成.多形态管理模块可重构的桥接模块图3多形态管理模块组成可重构模块用于实现对计算节点的动态配 置，可以根据应用任务的需要修改计算节点算法 部件的功能和大部分软件功能；当计算节点的算 法部件发生暂时故障或CPU发生持续运行错误 时，可貳新配置计算节点的算法部件或软件功能。 可賣构模块的配置过理由管理节点发起.配宵数 据可存于全局存储器、管

9、理节点的局部存储系统 或FPGA的局部存储系统中：管理节点通过配置 指定可靈构模块功能后，可以向该模块传送命令 启动并完成一定数据集在可塑构模块上的快速处 理.觅构互连模块是整个多形态可重构计算机 系统的核心，该模块负责把来自各个计算节点、 可重构模块的各类总线转换为一致的内部互连， 以提供模块间高速的数据传输通道；并可以根据 应用任务的襦要，改变互连的方式，提供Crossbar 交换、总线交换、环形交换、共享内存交换等多 种网络交换形式，从而构成SMP结构的并行系统 或者集群及容错系统.除此以外，重构互连模块 还负责控制系统中所有可重构模块配置数据的传 输和具体的配置过程：它负责解析系统定义

10、的各 种配置命令和处理命令，进行冲突仲裁、资源分 配和保护，并记录传输状态.可重构桥接模块用于实现主处理器存储总 线或I/O总线（如PCI）到特定I/O接口的转接。 模块由进行总线协议转换的桥接部件及特定I/O 接口控制器两部分组成，使得多形态可熏构计算 机系统对外提供统一的I/O接口，提高了对外连接 的适应性.3.3.2容错模块容错模块通过监控总线（如I2C, CAN, SPI 等）控制其他模块的运行状态，进行容错管理；容 错模块监控每个计算节点的运行状态，如发现某 个计算节点运行异常，则通知管理节点，由管理 节点控制可重构控制器对该计算节点进行软件重 注入，更新该节点的软件功能（操作系统或

11、应用程 序），并使该节点重启执行.如该节点持续故障， 则容错模块将対该计算节点实施隔离，并控制系 统降级使用。3.3.3并行数据交换单元系统中各计算节点可独立运行各自的处理任 务，通过显式的消息传递共享并行数据交换单元 的存储区，协同完成一个并行任务.管理节点负 责管理I/O设备，也可以通过并行数据交换粮元 与其他计算节点交换来自或将去往I/O的数据。 3.3.4软件加载单元.根据管理节点从PCI总线上发来的指令，将 共享存储中的软件系统（包括擁作系统和应用软 件），加载到对应的计算节点中.3. 3.5存储访问控制单元全局存储模块提供全局可见的存储空间，在 硬件上，所有的处理节点均可访问全部存

12、储区域， 而在软件上，所有处理器都把此存储区域映射为 各自I/O空间的一部分.存储访问控制单元负责 全局存储区域的划分和管理，解决数据冲突，并 完成对全局存储器的访问控制，防止非法访问， 提高系统的安全性和可慕性.3.3.6 PCI总线接口模块PCI部总线接口模块主要用于实现PCI总线协 议解析，实更PCI总线的master/slaver结构。 3.4软件结构多形态可重构计算机系统的软件结构如图4 所示，主要分为固件层、操作系统支持层、可垂 构虚拟层、操作系统层和应用软件层.itlTVA crto计算节 CPU3多形H巩软件F应nw皮用WF31 用檢M用沏鼓的“JU构虐报层浮 MIM"

13、;*对W!图4多形态可重构计算机系统软件层次结构 3.4.1固件层固件是固化于硬件设备的软件系统，负责在 计算机开机时检测、初始化系统设备以及加载操 作系统。3.4.2操作系统支撑层操作系统支撑层主要是指板级支持包，是系 统启动代码和控制器驱动程序的集合.3.4.3可重构虚拟层多形态可觅构计算机系统主要通过可霓构虚 拟层，根据任务需求，按照不同的虚拟方法和策 略，将同一个硬件平台虚拟成不同的架构，如流 水架构、分组操作架构、具有容错能力的单一节 点架构以及并行处理架构等，提交给上层的操作 系统.从而消除真实计算中软件与硬件之间的紧 密耦合关系，做到根据用户的需求提供服务，实 现按需计算的要求.

14、3.4. 4操作系统层管理节点和计算节点在操作系统层上稍有区 别.管理节点采用通用的操作系统，支持对称多 处理，支持内存访问和存储管理，向上提供编译 环境，实现应用程序的并行处理.计算节点则主 要根据应用的具体需要，根据可重构虚拟层选择 的不同架构，由可重构控制器从主存储器中相应 加敦操作系统.3.4.5应用软件层管理节点主要利用应用软件层上的多形态管 理软件实现对可重构控制器的控制，同时具备容 错机制，可以实现操作的同步、心跳检测、故障 检测等多种功能.计算节点根据应用的需要以及 架构的选择，由可重构控制器从主存储器中加钱 不同的应用程序.3.5总线、接口的动态配置总线及接口设计迢否合理宜接

15、影响着系统的 性能和可重构特性，因此，总线和接口的设计就 成为多形态可重构计算的一个非常关键的问题。 各处理器模块均可对外提供基本的系统接口（如 I2C、串口等），月于调试监控等.此外，为了满 足应用环境的动态变化，多形态可重构计算机可 以根据任务的不同和系统规模的变化，通过软件 的方式实现多个总线和接口的动态配置，对外提 供统一的I/O接口.各种总线和接口，如CPCI总 线、CAN总线、Infiniband总线、以太网接口等， 不论规模大小、规模各异，都可以动态配置到FPGA 器件上，提高了对外连接的适应性，以满足不同 应用的需要.4总结本文提出了一种多形态动态计算机新型体系 结构，该结构能

16、够根据应用环境的要求，动态调 整架构，满足各种不同类型应用对计算平台的需. 求.该结构在体系结构级，通过调整各个芯片之 间的互连关系，可以针对特定应用要求更合理地 分配资源，实现灵活的软硬件划分，形成可重构 并行、集群或容错系统：在部件级，在可重构控 制器及操作系统的管理下，可以对计算节点进行 静态或动态配置，定制程序需要的特定功能，对 算法部件进行硬件重构，达到在线更新软硬件的 目的；在I/O接口级，可以根据任务的不同和系 统规模的变化，实现各种总线和接口的动态重构 配置。此外，系统具有远程垂构的功能，可以利 用I/O模块接收远端僉令，传输新的配置数据或 软件到管理节点，由管理节点利用可朿构

17、控制器 完成算法部件和软件的重构。参考文献：1 Margenn StReconfigurable Computing in Real-World Applications,http7/ 0060207_cray.pdf2 Ramos J and Brenner D.t Environmentally Adaptive Fault Tolerant Computing (EAFTC): An Enabling Technology for COTS based Space Computing . Proceedings nf the 2004 IEEE Aerospace Conference.

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