可重构体系结构

可重构体系结构计算机应用术语01简介特征分类问题目录030204基本信息可重构体系结构是指如果某一计算系统能够利用可重用的硬件资源，根据不同的应用需求，灵活的改变自身的体系结构，以便为每个特定的应用需求提供与之相匹配的体系结构，那么这一计算系统就称为可重构的计算系统，其体系结构称为可重构的体系结构。简介简介可重构体系结构目前已成为学术界和工业界的研究热点，并且已经有许多令人瞩目的研究成果和工业产品面世。可重构计算系统提供了一种介于通用计算机和专用计算系统ASIC之间的计算手段。通用计算机是面向通用应用领域进行设计的，其设计目标主要是能够灵活地处理不同的计算任务，这使得通用计算机具有很大的灵活性和应用范围，但对某些特殊的应用领域却难以取得高性能。专用集成电路ASIC是针对某种特殊应用设计的计算系统，对于特定的计算任务，ASIC表现出极高的性能，但无法处理特定计算任务之外的其它任务。通用计算机和ASIC代表了两种极端的计算手段，通用计算机具有最大的灵活性和低性能，ASIC具有最高的性能和最差的灵活性。而现在有许多应用需求既要求较高的性能，又需要一定的灵活性。例如，一个多媒体应用中可能包括数据并行处理、位处理、不规则计算、高精度字操作、具有实时要求的操作等子任务，要求处理系统能够灵活地处理上述各个子任务并达到一定的性能。许多其它应用也具有类似的需求，如数据加密、人工智能等，这些应用需求导致了可重构体系结构的产生

。分类粒度编程深度可重构能力界面计算模型12345分类粒度粒度是指系统中可重构成分（或称可重构处理单元，RPU）的操作数的宽度。RPU是功能可配置的逻辑块，其内部连接关系是可重构的。在一个细粒度的可重构体系结构中，RPU中的处理元素通常是逻辑门、触发器、查找表等，它们进行位级操作，实现一个有限状态机的布尔函数。而在粗粒度的可重构体系结构中，RPU中的处理元素可能包括完整的功能单元，象算术逻辑单元ALU、乘法器等，它们进行字（由多个位构成）级的操作。如果一个可重构体系结构中包括粗粒度和细粒度两种RPU，则称其为混合粒度的可重构体系结构。编程深度编程深度是指存储在RPU中的配置程序或文件的数量。一个RPU可能含有单个配置文件或多个配置文件。对于单配置文件系统，只有一个配置文件驻留在RPU内，因此RPU的功能局限于当前装载的配置文件。而在多配置文件系统中，同时有多个配置文件驻留在RPU内，这使得可以通过切换配置文件很方便地实现不同的功能，而不必从外部重新装载配置文件。可重构能力在处理不同应用的过程中，一个RPU可能需要被频繁地重构。重构实际上就是重新装载配置文件的过程。如果装载配置文件的过程必须在中断程序执行的情况下进行，那么这种重构称为静态重构；如果装载配置文件的过程可以和程序执行同时进行，那么这种重构称为动态重构。单配置文件的可重构系统通常具有静态重构的特性，而动态可重构系统往往基于多配置文件的RPU。动态重构系统中的RPU，可以在运行部分配置文件的同时，改变其它配置文件。这一特性能够大幅度地降低重新配置的时间开销。界面如果一个可重构系统的主机和可重构处理单元RPU不在同一芯片上，那么称这一可重构系统具有远界面；反之，如果主机和可重构处理单元RPU在同一芯片上，则称这一可重构系统具有本地界面。对于具有本地界面的可重构系统来说，RPU实际上已经融合在主机的数据通路中去了。计算模型计算模型许多可重构系统遵循单处理器计算模型，有些可重构系统遵循单指令流多数据流SIMD或多指令流多数据流MIMD计算模型，另外还有一些可重构系统遵循VLIW计算模型。表列出了当前一些典型的可重构计算系统的主要特征及应用领域。特征特征总体结构图1典型的可重构计算系统的结构图虽然各个可重构计算系统的结构有很大的区别，但其基本组成成分基本上是相同的，即：通用处理器、可重构处理单元RPU、存储器、接口界面。图1是一个典型的可重构计算系统的结构图。其中通用处理器用于控制和处理通用的计算任务，可重构处理单元RPU用于处理专用领域的计算任务，在某些系统中处理器与RPU集成在同一块芯片上，而在另外一些系统中，处理器与RPU分别位于不同的芯片上。两个图分别给出了PAM可重构系统和MorphoSys可重构系统的体系结构。PAM系统采用通用计算机外挂FPGA阵列的结构；而在MorphoSys系统中RISC微处理器与可重构处理阵列集成在一块芯片内，即处理器与可重构处理阵列是紧密耦合的。MorphoSys可重构系统的体系结构PAM可重构系统可重构处理单元的结构图2可重构处理单元的结构可重构计算系统的可重构处理单元RPU（或者称为可重构协处理器）主要有两种类型，一种是现