可重構計算相關技術研究.pdf

1、可重構計算技術結(jié)合了通用處理器和ASIC兩者的優(yōu)點，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?？芍貥嬒到y(tǒng)的特點使它適合于計算密集型的大數(shù)據(jù)量處理任務，但是，由于應用領域不同，如何針對某個特定的應用領域設計一個優(yōu)化的可重構結(jié)構是一個至關重要問題。另一方面，面向可重構系統(tǒng)的設計自動化研究仍是一個亟待解決的問題，現(xiàn)有的可重構開發(fā)系統(tǒng)編程模型復雜，自動化程度低，針對可重構系統(tǒng)的特點，需要研究開發(fā)支持自動任務劃分，算法映

2、射和設計優(yōu)化的工具。 本文圍繞可重構系統(tǒng)任務劃分、算法映射、可重構系統(tǒng)配置空間搜索、可重構計算系統(tǒng)結(jié)構和可重構系統(tǒng)在高性能計算領域的應用這幾個方面進行了如下創(chuàng)新工作： (1)分析了動態(tài)可重構系統(tǒng)執(zhí)行任務時的開銷，提出了一種面向動態(tài)可重構系統(tǒng)多目標優(yōu)化的任務時域劃分算法——MOTPA，在可重構硬件資源約束條件下，將任務的數(shù)據(jù)流圖劃分成數(shù)個子模塊。使用加權方法將子模塊中操作執(zhí)行時間和模塊間數(shù)據(jù)通信引起的延時統(tǒng)一為劃分代價，根

3、據(jù)每種延時在總代價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，保證了各個操作正確的執(zhí)行順序。理論分析和實驗結(jié)果表明，MOTPA算法可以在D(|V|<'2>+|V||E|)時間內(nèi)(|V|為數(shù)據(jù)流圖節(jié)點數(shù)，|E|為邊數(shù))找到一個可行的劃分方案，能有效地提高應用算法在動態(tài)可重構結(jié)構上的執(zhí)行效率。 (2)提出了基于模擬退火的面向粗粒度可重構陣列的任務映射方法。為使映射方法不依賴于任何具體的可重構

4、結(jié)構，首先定義了描述可重構系統(tǒng)的結(jié)構特征參數(shù)，并提出了可重構結(jié)構的參數(shù)化描述模型。參數(shù)模型既能反映可重構系統(tǒng)的結(jié)構特征，又能反映可重構結(jié)構的層次性，具有良好的靈活性，能夠描述不同類型的二維網(wǎng)格型可重構系統(tǒng)結(jié)構。在此基礎上，設計了基于模擬退火的粗粒度可重構陣列任務映射方法，該方法以任務的數(shù)據(jù)流圖描述和可重構系統(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、構系統(tǒng)，分析了配置序列對部分可重構系統(tǒng)性能的影響，提出了在部分可重構系統(tǒng)配置空間中搜索最優(yōu)配置序列的算法。在應用算法分割成多個任務的前提下，通過建立部分可重構系統(tǒng)任務執(zhí)行模型，給出了任務在系統(tǒng)上執(zhí)行代價的目標函數(shù)。根據(jù)部分可重構系統(tǒng)中，任務執(zhí)行和配置可重疊的特性，給出了配置切換代價計算方法。在此基礎上，設計了基于動態(tài)規(guī)劃的配置空間搜索算法，算法可以在O(nm<'2>)(n為任務數(shù)，m為每個任務最大可選配置數(shù))時間內(nèi)搜索出使目標函數(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系統(tǒng)上的執(zhí)行效率。 (4)進行了可重構系統(tǒng)體系結(jié)構方面研究。設計了一個原型系統(tǒng)——異步可重構密碼引擎(ARCEN)。并且，為了更好開展可重構體系結(jié)構研究，設計并開發(fā)了一個面向網(wǎng)格型可重構陣列的模擬器——JRSim。因為模擬器中計算單元結(jié)構可以靈活改變，能夠自行增添專用指令，也可以自定義各種總線結(jié)構，所以，借助高級語言開發(fā)的模擬器可以實現(xiàn)原型計算系統(tǒng)的快

7、速建模，方便驗證評價可重構體系的性能。 (5)為了研究可重構系統(tǒng)對于計算任務的加速性能，開展了可重構系統(tǒng)應用研究，包括：基于ARCEN平臺的密碼算法映射研究；基于JRSim模擬器的矩陣乘法實現(xiàn)研究；基于FPGA的RS隱寫分析算法實現(xiàn)研究。這三方面工作分別涵蓋了專用可重構系統(tǒng)(ARCEN)，粗粒度可重構系統(tǒng)(JRSim)和通用可重構系統(tǒng)(FPGA)的應用研究。其中矩陣乘法實現(xiàn)和RS算法實現(xiàn)都給出了具體的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)分析可以