部分重構計算系統(tǒng)的關鍵技術研究.pdf

1、可重構計算是一種新型的時空域計算模式，它利用了可重構邏輯器件的可重構特性，同時具有類似處理器的以在線編程方式實現(xiàn)各種應用的靈活性和類似專用集成電路的以硬件方式執(zhí)行計算任務的高性能，是當前計算機系統(tǒng)結構領域的研究熱點。部分重構技術作為可重構計算技術的重要發(fā)展趨勢，能夠在系統(tǒng)重構過程中對可重構邏輯器件上的部分資源進行重新配置，而不會影響到其它的可重構邏輯資源。相比較之前的可重構計算技術，部分重構技術具有更細粒度的時空域計算特征，能夠有效地改

2、善可重構計算系統(tǒng)的執(zhí)行性能、資源利用率以及重構靈活性等技術指標。 雖然當前的可重構邏輯器件已經對部分重構技術提供了相當充分的支持，但是因為現(xiàn)有的部分重構設計方法普遍存在著設計門檻高、通用性弱等缺陷，所以部分重構計算系統(tǒng)的應用領域受到了極大的制約。針對這一現(xiàn)狀，本論文提出了一種具有設計便捷、通用性強等優(yōu)點的基于模塊的部分重構設計方法。該方法首先將應用合理地劃分為具有可重構屬性或者固定屬性的模塊，然后借鑒模塊化設計方法學的思路完成各

3、個模塊的設計與實現(xiàn)，最終利用可重構邏輯器件的部分重構特性實現(xiàn)系統(tǒng)的運行時重構。本論文還針對利用基于模塊的部分重構設計方法實現(xiàn)具有不同結構特征的加密算法進行了深入研究，有效地解決了算法實現(xiàn)過程中存在的模塊間協(xié)同設計、時序調整以及通訊通道設計等關鍵問題。實驗驗證了本論文所提設計方法的有效性以及部分重構計算系統(tǒng)具有的低資源占用量、高重構性能等優(yōu)勢。 和所有的可重構計算系統(tǒng)一樣，部分重構計算系統(tǒng)的重構過程是整個系統(tǒng)的性能瓶頸。圍繞如何緩

4、解這一瓶頸效應，現(xiàn)有很多研究被展開，配置cache技術就是其中之一。與傳統(tǒng)的計算系統(tǒng)使用的cache技術不同，部分重構過程的配置cache替換過程需要充分考慮可重構計算技術的時空域計算特征。針對配置cache的這一特點，本論文提出了多個基于代價函數(shù)的替換策略，其中各個代價函數(shù)均由反映系統(tǒng)執(zhí)行時間域特征的計算任務歷史執(zhí)行信息和反映系統(tǒng)執(zhí)行空間域特征的計算任務配置數(shù)據規(guī)模等兩個部分構造而成。相比較現(xiàn)有的配置cache替換策略，本論文所提的算

5、法更有效地利用了計算任務的歷史執(zhí)行信息，因此能夠做出更優(yōu)化的配置cache替換決策。實驗表明本論文提出的部分重構過程的配置cache替換策略能夠有效地降低cache替換過程的時間開銷，提高系統(tǒng)的執(zhí)行性能。 隨著半導體技術的進步，當前的可重構邏輯器件上已經可以集成“數(shù)以百萬計” 的基本邏輯門資源以及多種多樣的用于提高系統(tǒng)性能的粗粒度計算邏輯單元。其中，一類能夠在器件內部嵌入處理器的可重構邏輯器件的出現(xiàn)，使得新型的自重構計算

6、系統(tǒng)引起了業(yè)界的廣泛關注。自重構計算系統(tǒng)通過嵌入在可重構邏輯器件內部的處理器完成對系統(tǒng)重構過程的控制，無需調用器件外部的配置端口，能夠提高重構性能、減少相關外設。現(xiàn)有的基于可重構邏輯器件的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程不能夠直接為自重構計算系統(tǒng)的研發(fā)提供足夠的支持，因此本論文提出了一種將其與基于模塊的部分重構設計方法相結合的設計方法，并重點研究了在系統(tǒng)設計過程中如何針對系統(tǒng)實現(xiàn)需求進行系統(tǒng)部件選型與設計以及在系統(tǒng)自重構過程中如何解決對內部配置訪問端

7、口進行驅動等關鍵問題。實驗驗證了本論文所提設計方法的可行性和有效性以及自重構計算系統(tǒng)具有的重構性能優(yōu)勢。綜上所述，本論文所做工作的主要貢獻體現(xiàn)在以下三個方面： 1)提出了一種具有開發(fā)便捷、通用性強等優(yōu)點的基于模塊的部分重構設計方法，并在國內外首次將基于模塊的部分重構技術應用于加密算法的設計與實現(xiàn)； 2)提出了多個綜合考慮了計算任務的歷史執(zhí)行信息及其配置數(shù)據規(guī)模的部分重構過程的配置cache替換策略，有效地減少了配置cac