可重構(gòu)計(jì)算相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)結(jié)合了通用處理器和ASIC兩者的優(yōu)點(diǎn)，既能夠提供硬件的高效率又具有軟件的可編程性，近年來已成為研究的熱點(diǎn)?？芍貥?gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)使它適合于計(jì)算密集型的大數(shù)據(jù)量處理任務(wù)，但是，由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，如何針對(duì)某個(gè)特定的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)是一個(gè)至關(guān)重要問題。另一方面，面向可重構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化研究仍是一個(gè)亟待解決的問題，現(xiàn)有的可重構(gòu)開發(fā)系統(tǒng)編程模型復(fù)雜，自動(dòng)化程度低，針對(duì)可重構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要研究開發(fā)支持自動(dòng)任務(wù)劃分，算法映

2、射和設(shè)計(jì)優(yōu)化的工具。 本文圍繞可重構(gòu)系統(tǒng)任務(wù)劃分、算法映射、可重構(gòu)系統(tǒng)配置空間搜索、可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)系統(tǒng)在高性能計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用這幾個(gè)方面進(jìn)行了如下創(chuàng)新工作： (1)分析了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的開銷，提出了一種面向動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化的任務(wù)時(shí)域劃分算法——MOTPA，在可重構(gòu)硬件資源約束條件下，將任務(wù)的數(shù)據(jù)流圖劃分成數(shù)個(gè)子模塊。使用加權(quán)方法將子模塊中操作執(zhí)行時(shí)間和模塊間數(shù)據(jù)通信引起的延時(shí)統(tǒng)一為劃分代價(jià)，根

3、據(jù)每種延時(shí)在總代價(jià)中所占比例來選取優(yōu)化的方向。并且通過建立就緒列表的方法，避免了劃分過程中出現(xiàn)死鎖問題，保證了各個(gè)操作正確的執(zhí)行順序。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MOTPA算法可以在D(|V|<'2>+|V||E|)時(shí)間內(nèi)(|V|為數(shù)據(jù)流圖節(jié)點(diǎn)數(shù)，|E|為邊數(shù))找到一個(gè)可行的劃分方案，能有效地提高應(yīng)用算法在動(dòng)態(tài)可重構(gòu)結(jié)構(gòu)上的執(zhí)行效率。 (2)提出了基于模擬退火的面向粗粒度可重構(gòu)陣列的任務(wù)映射方法。為使映射方法不依賴于任何具體的可重構(gòu)

4、結(jié)構(gòu)，首先定義了描述可重構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，并提出了可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化描述模型。參數(shù)模型既能反映可重構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，又能反映可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的層次性，具有良好的靈活性，能夠描述不同類型的二維網(wǎng)格型可重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于模擬退火的粗粒度可重構(gòu)陣列任務(wù)映射方法，該方法以任務(wù)的數(shù)據(jù)流圖描述和可重構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)描述模型為輸入，根據(jù)系統(tǒng)描述的約束條件，產(chǎn)生一個(gè)初始映射，然后通過迭代優(yōu)化，獲得較好的映射結(jié)果。 (3)研究了部分可重

5、構(gòu)系統(tǒng)，分析了配置序列對(duì)部分可重構(gòu)系統(tǒng)性能的影響，提出了在部分可重構(gòu)系統(tǒng)配置空間中搜索最優(yōu)配置序列的算法。在應(yīng)用算法分割成多個(gè)任務(wù)的前提下，通過建立部分可重構(gòu)系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行模型，給出了任務(wù)在系統(tǒng)上執(zhí)行代價(jià)的目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)部分可重構(gòu)系統(tǒng)中，任務(wù)執(zhí)行和配置可重疊的特性，給出了配置切換代價(jià)計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的配置空間搜索算法，算法可以在O(nm<'2>)(n為任務(wù)數(shù)，m為每個(gè)任務(wù)最大可選配置數(shù))時(shí)間內(nèi)搜索出使目標(biāo)函數(shù)取得最

6、小值的最優(yōu)配置序列。結(jié)果表明，合理地選擇配置序列，可以有效提高算法在部分可重構(gòu)系統(tǒng)上的執(zhí)行效率。 (4)進(jìn)行了可重構(gòu)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)方面研究。設(shè)計(jì)了一個(gè)原型系統(tǒng)——異步可重構(gòu)密碼引擎(ARCEN)。并且，為了更好開展可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)研究，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)面向網(wǎng)格型可重構(gòu)陣列的模擬器——JRSim。因?yàn)槟M器中計(jì)算單元結(jié)構(gòu)可以靈活改變，能夠自行增添專用指令，也可以自定義各種總線結(jié)構(gòu)，所以，借助高級(jí)語言開發(fā)的模擬器可以實(shí)現(xiàn)原型計(jì)算系統(tǒng)的快

7、速建模，方便驗(yàn)證評(píng)價(jià)可重構(gòu)體系的性能。 (5)為了研究可重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)于計(jì)算任務(wù)的加速性能，開展了可重構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)用研究，包括：基于ARCEN平臺(tái)的密碼算法映射研究；基于JRSim模擬器的矩陣乘法實(shí)現(xiàn)研究；基于FPGA的RS隱寫分析算法實(shí)現(xiàn)研究。這三方面工作分別涵蓋了專用可重構(gòu)系統(tǒng)(ARCEN)，粗粒度可重構(gòu)系統(tǒng)(JRSim)和通用可重構(gòu)系統(tǒng)(FPGA)的應(yīng)用研究。其中矩陣乘法實(shí)現(xiàn)和RS算法實(shí)現(xiàn)都給出了具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)分析可以