多核體系下的可重構(gòu)硬件加速計(jì)算研究.pdf

1、半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用對(duì)計(jì)算能力的需求不斷促進(jìn)著體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。當(dāng)前主流的多核處理器，由于其通用性設(shè)計(jì)，即使將來(lái)單芯片集成更多的通用核，也難以滿足計(jì)算密集型應(yīng)用的高性能需求。因此，一些多核處理器集成了ASIC加速核來(lái)加速特定的應(yīng)用，性能很高卻無(wú)法加速定制以外的應(yīng)用，缺乏靈活性。而可重構(gòu)加速器可以達(dá)到遠(yuǎn)高于通用核的性能并保持遠(yuǎn)高于ASIC的靈活性，并且可重構(gòu)硬件在動(dòng)態(tài)局部重構(gòu)、多配置上下文結(jié)構(gòu)等方面的發(fā)展也為其帶來(lái)更高的靈活性和實(shí)用性。<

2、br>　　 可重構(gòu)處理器一般由通用核和可重構(gòu)處理單元構(gòu)成，已有的可重構(gòu)處理器結(jié)構(gòu)研究大多是基于單通用核結(jié)構(gòu)，目前亟需進(jìn)行多通用核架構(gòu)上的可重構(gòu)多核處理器結(jié)構(gòu)研究。在可重構(gòu)多核結(jié)構(gòu)上，多個(gè)通用核發(fā)起可重構(gòu)處理單元的調(diào)用請(qǐng)求的次數(shù)和頻率將比單核結(jié)構(gòu)有較大提高，為了高效響應(yīng)請(qǐng)求和執(zhí)行、并高效管理利用可重構(gòu)資源，還需開(kāi)展可重構(gòu)任務(wù)支持和管理調(diào)度研究。此外，在并發(fā)多可重構(gòu)任務(wù)情況下，還需考慮可重構(gòu)功能核實(shí)現(xiàn)的性能和可重構(gòu)資源平衡。
　　

3、 因此，本文根據(jù)處理器體系發(fā)展趨勢(shì)，研究如何在現(xiàn)有多核處理器體系中擴(kuò)展集成可重構(gòu)處理單元，在該擴(kuò)展結(jié)構(gòu)上可重構(gòu)處理單元的運(yùn)行時(shí)支持和可重構(gòu)任務(wù)管理調(diào)度，以及多可重構(gòu)功能核實(shí)現(xiàn)間面積和性能平衡的優(yōu)化選取。本文主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行了研究：
　　 (1)建立了可重構(gòu)多核處理器結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)分析可重構(gòu)處理單元執(zhí)行效率的影響因素，得到可重構(gòu)多核處理器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，并在此指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)多核處理器結(jié)構(gòu)，包括通用處理核的擴(kuò)展、互連結(jié)

4、構(gòu)設(shè)計(jì)、可重構(gòu)處理單元設(shè)計(jì)以及可重構(gòu)處理單元管理器設(shè)計(jì)；
　　 (2)提出了執(zhí)行與配置分離的處理模式，在提高可重構(gòu)功能核的執(zhí)行效率的同時(shí)避免過(guò)度頻繁的管理調(diào)度，降低系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)；并且在考慮可重構(gòu)資源的單位面積利用效率的情況下，提出了3種可重構(gòu)任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度算法；
　　 (3)針對(duì)相同功能的可重構(gòu)功能核存在多種實(shí)現(xiàn)的情況，提出了系統(tǒng)性能約束驅(qū)動(dòng)的功能核實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選取方法，目的是達(dá)到性能和可重構(gòu)資源的平衡，充分發(fā)揮功能核性能并避免資

5、源浪費(fèi)。
　　 最后，本文采用軟件模擬和硬件仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，基于Simics模擬器和XilinxV5 FPGA對(duì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的結(jié)構(gòu)上定制應(yīng)用的執(zhí)行性能遠(yuǎn)高于通用多核處理器，并且該結(jié)構(gòu)的靈活性設(shè)計(jì)相對(duì)于通用核與可重構(gòu)處理單元一一對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)的執(zhí)行性能和資源利用率也有較大幅度的提高；本文提出的處理模式和調(diào)度算法在提高系統(tǒng)運(yùn)行性能和可重構(gòu)資源利用率的同時(shí)，有效控制甚至降低可重構(gòu)任務(wù)管理調(diào)度和