动态重构系统若干关键问题的研究

发布时间：2020-05-25 06:37

【摘要】： 以通信和多媒体技术为代表的应用需求的迅速发展,对传统的微处理器和ASIC的性能提出了更高的要求。VLSI技术的进步促进了以FPGA为代表的可重构硬件的快速发展,尤其是具有动态部分重构能力的可重构硬件的出现,使可重构计算成为解决这类问题的重要方法。但是,限于目前可重构硬件的系统结构和重构技术等方面的发展现状,可重构计算的实用化还存在诸多挑战性问题。针对微处理器和可重构硬件构成的动态重构系统,本文重点研究了系统的重构方式、可重构资源管理、硬件任务的调度与布局以及软硬件划分等问题,并给出了相应的解决方案和实验分析,为进一步研究可重构计算及其实用化打下了良好的基础。本文的主要研究内容包括: 在分析FPGA配置结构和动态模块对应的部分位流结构的基础上,实现了一种动态模块的重定位方法。基于模块的部分重构是降低系统重构开销的一种有效方法,但由于部分位流是在FPGA的某位置上预综合得到的,配置到FPGA上并启动该电路模块的执行也必须是在相同的位置,因此会导致时间上相互交叉的模块产生冲突。利用重定位技术可以根据需要将该模块转移到同构资源的空闲位置上,能够提高系统的执行效率。提出了一种基于配置页的可重构资源管理方法,并基于Virtex II平台FPGA实现了相应的原型系统。系统对不同的可重构资源进行分类建模,分析了配置页尺寸的确定方法,并以配置页为基本单位进行管理。运行时可以根据应用需求分配一段由不同数量的连续配置页构成的逻辑区域,以及回收和合并空闲配置页等,有效地实现了1D划分下的可重构资源管理。提出了可重构硬件的一种2D区域模型,并给出了该模型下可重构资源管理和硬件任务布局的算法及实验分析。基于任务上边界的最大空闲矩形保持算法能够有效地管理可重构硬件上的空闲资源,便于在运行时动态分配与回收可重构资源以及使用FF和启发式BF算法实现硬件任务的在线布局。与1D划分相比,能够提高可重构硬件的资源利用率,从而提高系统的性能。基于可重构硬件的动态部分重构能力,采用2D区域模型进行可重构资源的分配与回收,并考虑硬件任务的重构延时和并发执行等特性,采用遗传算法和爬山算法实现了面向动态重构系统的软硬件划分,其中对划分结果的评价使用了动态优先级调度算法。软硬件划分能够有效地将任务流图表示的应用调度到系统中的微处理器和可重构硬件上,以充分发挥两者各自的优势,达到优化动态重构系统性能的目标。
【图文】：

发展曲线

图 1.1 计算需求发展曲线处理器的发展还受到散热、功耗和制造工艺的限制，其计算速度的摩尔定律，计算效率的增长速度已经减慢并逐步达到饱和，性能一次提高都是以越来越差的能耗为代价的，微处理器的灵活性伴量消耗[2,3]。例如，流水线 RISC 处理器在 20 世纪 80 年代后期就万个晶体管来实现，每个时钟周期可以运行大约 0.5-0.75 条指令的 RISC 处理器需要一千万个以上的晶体管，但是仍然不能实现每指令[1]。虽然采用更多的晶体管，可以通过并行指令执行的方法来但相应互连延迟的增加、功耗的增加和片外存取性能的改进不足抵消了性能的增加。很多数据密集型应用，高性能和高吞吐率的唯一可行解决方案就是计。与软件实现相比，硬件电路具有并发特性，能够为固定不变度的并行性，并且可针对具体的算法设计专用电路，能耗比较低硬件电路具有很高的速度和效率。然而硬件设计、开发周期长，

模块图,模块,任务模块,芯片

重构硬件资源的充分利用能够提高系统的性能。在系统运行过程中，，当把一个任务模块映射到芯片的某个区域时，需要一些数据结构、算法来帮助确定它所映射的位置，即进行模块布局（Placement）。图 1.10 阐述了可重构系统模块布局的一种模型。布局器的主要任务是为一个任务模块找到它所布局到芯片的映射区域[49-51]。如果区域的使用在系统开始运行前就已经指定，并且运行过程中不发生变化，则这种布局方式称为离线布局。与之对应的是在系统运行过程中，根据当前运行状态对一个即将进入芯片的任务模块的映射区域进行动态确定，则称为在线布局。像内存分配一样，由于多个模块动态地进入和离开芯片，容易造成芯片有若干不连续的空闲区域，它们不承载任何与系统相关的逻辑功能。因此，布局器的另一个任务就是高效地管理这种不连续的空闲区域，提高可重构硬件的资源利用率。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP302

【引证文献】