異構(gòu)多核可重構(gòu)片上系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、片上多核系統(tǒng)（Multi processor System-on-Chip，MPSoC），將通用處理器、DSP、ASIP以及IP核等異構(gòu)計(jì)算單元集成到單芯片中，以更好地滿足不同類型任務(wù)的需求。然而隨著嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域不斷向多樣性的方向發(fā)展，需要針對(duì)不同的應(yīng)用特征定制硬件計(jì)算平臺(tái)?；诳芍貥?gòu)技術(shù)的片上多核處理器是一種將可重構(gòu)技術(shù)與MPSoC相結(jié)合的解決方案，可以利用可重構(gòu)邏輯器件的硬件可編程性，針對(duì)不同的應(yīng)用特征優(yōu)化系統(tǒng)性能，從而能夠在充分

2、利用片上多核計(jì)算資源的前提下更有效地滿足嵌入式領(lǐng)域的不同應(yīng)用要求。
　　 然而，硬件系統(tǒng)的功能可重構(gòu)需要計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)完成后根據(jù)應(yīng)用程序特點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更改，這與傳統(tǒng)的片上多核系統(tǒng)有較大區(qū)別。其動(dòng)態(tài)變化的特征無(wú)疑給片上多核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步研究可重構(gòu)片上多核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，以及新的特征所帶來(lái)的一系列新的問(wèn)題，包括軟硬件功能的動(dòng)態(tài)劃分和任務(wù)調(diào)度、互聯(lián)模型和通信機(jī)制、以及編程模式等，以便充分挖掘系統(tǒng)的處理性能。<

3、br>　　 本文針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)展了有關(guān)異構(gòu)多核可重構(gòu)片上系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。論文的主要工作和創(chuàng)新之處包括：
　　 一、搭建了異構(gòu)多核可重構(gòu)片上系統(tǒng)的研究環(huán)境。主要包括：
　　 （1）設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于ADL描述語(yǔ)言的片上多核系統(tǒng)（MPSOC）仿真器，用于MPSOC體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估。
　　 （2）基于XilinXFPGA開(kāi)發(fā)板，構(gòu)建了基礎(chǔ)研究平臺(tái)。該平臺(tái)可集成多種類型的通用處理器，以及硬件IP核，具有異構(gòu)、

4、多核、可重構(gòu)的基本特征。可用于軟硬件功能劃分、任務(wù)調(diào)度、計(jì)算資源互聯(lián)等技術(shù)有效性的驗(yàn)證。
　　 二、研究了異構(gòu)多核可重構(gòu)片上系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題。通過(guò)引入面向服務(wù)的理念和服務(wù)體-執(zhí)行流的概念，提出了一種面向服務(wù)的異構(gòu)多核可重構(gòu)片上系統(tǒng)層次化模型。該模型將系統(tǒng)中的計(jì)算資源抽象為若干種服務(wù)體，包括核心調(diào)度服務(wù)體、用戶服務(wù)體、軟硬件計(jì)算服務(wù)體。核心調(diào)度服務(wù)體負(fù)責(zé)軟硬件功能的動(dòng)態(tài)劃分與任務(wù)調(diào)度，用戶服務(wù)體負(fù)責(zé)為應(yīng)用程序提供編程接口，軟硬件

5、計(jì)算服務(wù)體提供計(jì)算服務(wù)。面向服務(wù)概念的引入使得系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，并可向用戶提供一致的編程接口，有利于解決異構(gòu)多核系統(tǒng)的“編程墻”問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的適用性。
　　 三、研究了軟硬件功能動(dòng)態(tài)調(diào)整和任務(wù)調(diào)度問(wèn)題。主要包括：
　　 （1）首先應(yīng)用動(dòng)態(tài)剖析技術(shù)獲得程序運(yùn)行的熱點(diǎn)代碼，進(jìn)而提出了一種將軟硬件功能動(dòng)態(tài)劃分與任務(wù)調(diào)度相結(jié)合的性能評(píng)估方法，以指導(dǎo)軟硬件功能動(dòng)態(tài)調(diào)整重構(gòu)，從而可以針對(duì)系統(tǒng)不同層次的性能需求給出不同的硬件

6、平臺(tái)重構(gòu)方案和任務(wù)劃分方案。
　　 （2）提出了一種片上異構(gòu)多核系統(tǒng)中的任務(wù)流動(dòng)態(tài)調(diào)度算法MP-Tomasulo。該算法借鑒單核的指令級(jí)指令級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多核環(huán)境下的任務(wù)級(jí)并行，有效提高了系統(tǒng)的性能。
　　 四、研究了片上計(jì)算資源互聯(lián)模型和通信機(jī)制。主要包括：
　　 （1）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)總線的星型互聯(lián)架構(gòu)和任務(wù)通信模型。該互聯(lián)架構(gòu)以較低的硬件開(kāi)銷獲得了較高的通信效率，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源互聯(lián)的快速