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可重构计算:高效灵活的计算技术

作者:时间:2010-08-18来源:网络收藏


当前在研的系统往往由一个或多个逻辑器件以协处理器的方式和一个通用处理器耦合而成,如图2所示。这里的逻辑器件可以是系统定制的,也可以是商业化的部件(如FPGA芯片)。对可重构逻辑器件进行的配置可以使它实现相应的功能,能够以准ASIC的速度对应用中的密集部分给予加速执行以提高整个应用的执行性能。系统中的通用处理器主要负责对可重构逻辑器件进行资源管理和任务调度。另外,应用中存在的那些不能够采用硬件逻辑实现或者采用硬件实现也不会带来很大性能收益的部分也需要在通用处理器上编程实现,例如递归操作。因为每一层递归都需要使用相同的资源,而递归的层数又往往不能预先知道,硬件无法预留够充足的资源,所以此类操作适合在通用处理器上实现。

可重构的研究对可重构逻辑器件的开发有着极强的依赖性。正是由于可重构计算系统中使用了可编程逻辑器件,才使得它能够高效灵活地实现多种应用。在研究的早期,研究者们受到可重构逻辑器件的限制,并不能开展很多卓有成效的工作。因为缺乏统一的可重构硬件平台,一些研究机构针对某些特定应用开发了自己相应的可重构逻辑器件。这些器件缺乏一致的模型,彼此间不兼容,不具有普适性。而专门的可重构逻辑器件开发带来的高昂代价也给可重构的普及设置了巨大的障碍。伴随着超大规模集成电路技术的不断进步,集成在芯片上的门电路数目可以做到“数以百万计”,这使得业界能够设计出功能强大结构复杂的可重构逻辑器件,也昭示着可重构迎来了发展的大好时机。当前的很多商业化可重构逻辑器件具备有充足的可编程逻辑资源,有的芯片上还集成了乘法器、RAM等结构,在最近的高端产品上更是集成了处理器核来增强系统的功能和性能。

当前,可重构计算技术的研究焦点在于动态可重构技术特别是运行时(run-time)可重构技术。所谓动态可重构技术,是相对于静态可重构技术而言的。静态可重构技术是指在可重构计算系统开始执行任务时,一次性将可重构逻辑器件配置为系统所需的某个或几个功能。这些配置好的功能在整个任务执行期间不会被改变。直到系统完成该任务后,可重构逻辑器件才可以被配置为其他的功能去完成别的任务。动态可重构技术与此相反,在任务执行过程中可重构逻辑器件的功能可以被随时改变。

运行时可重构技术建立在动态可重构技术的基础之上,它能够在器件上已有任务正常执行的同时对器件的空闲资源进行新的配置。运行时可重构技术可以根据应用实现中的实际需求,对可重构逻辑器件上的资源做相应的调配。它能够更充分地利用可重构逻辑器件上的资源,并且使硬件去“适应”应用的需求做调整成为可能。运行时可重构计算技术的研究还存在很多技术难点,有的已经造成了当前可重构计算技术发展的瓶颈。

技术优势和应用前景

可重构计算技术除了具有较高的性能和较大的灵活性以外,还具有很多其他优势,例如系统能耗低、可靠性高等等。这些优势使得可重构计算技术在各个应用领域特别是嵌入式应用领域有着广阔的应用前景。

在过去的研究中已经发现,很多嵌入式应用,例如多媒体应用、加/解密应用以及通信应用等都具有它们固有的执行特征。

多媒体应用具有较多的整数算术指令,这主要是因为大多数多媒体应用中执行的都是定点数据上的算术密集型信号处理操作。

加/解密应用中主要是位运算操作,而且在执行过程中极少出现分支指令,位运算操作可以通过移位操作和逻辑运算来实现。



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