可重构计算系统体系结构研究与实现

论文摘要

在嵌入式系统快速发展的今天，以无线通信、数字媒体、移动计算等为代表的新一代应用，对电子设备的速度、功耗、集成度、成本以及灵活性等多个方面提出了苛刻的要求。在军事航天领域，则更加看重可靠性、重量、体积、能耗。微小卫星等应用标志着国防科技对低成本和易用性的重视。从传统的以通用处理器(GPP)为基础的软件执行方式，到专用集成电路ASIC为代表的硬件执行方式，对上述的各项指标都没有得到很好的解决。一方面，GPP以指令驱动方式串行执行，功能单元和指令集的有限性使得GPP的性能并不理想。同时指令流执行方式对存储器带宽要求较高。另一方面，ASIC虽然能够获得很高的性能，但它并不能满足日益缩短的设计周期的需要。开发难度大，工程费用高使得ASIC只有在大批量的时候才能显示出其优势。以高密度FPGA为代表的可重构计算填补了GPP和ASIC之间的空白，兼具高性能和灵活性的特点，在各项性能指标中取得更好的平衡，获得越来越广泛的应用。 可重构计算是一种新型的时空域上的计算方式。可重构计算系统通常包含大量的可编程硬件资源和路由资源。算法在硬件上实现，以空域的方式并行执行，可以获得非常高的性能。同时，系统可以根据目标算法的运行时特征，在时域上动态调整硬件，使之更好的匹配算法的数据宽度和运算特点等，具有更好的灵活性和动态适应性。 由于半导体技术历史发展的原因，可重构计算最初由用户设计定制的可编程器件实现，之后才逐渐转向使用FPGA之类通用器件的道路上来。在可重构计算发展的过程中，出现了多种多样的体系结构。从计算单元考虑有位级、字级和混合级等不同粒度，从网络拓扑考虑有一维线性、二维网孔或交叉开关等不同连接方式，从通讯总线考虑有全局共享、局部共享和局部专用等不同的总线形式。体系结构的多样性为可重构计算的研究和应用无形中设置了障碍。 为解决可重构计算的通用性问题，同时实现易用和高效的目标，本文从可

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 可重构计算概述
• 1.1.1 可重构计算基本概念
• 1.1.2 可重构计算历史与发展
• 1.1.3 可重构计算的特征
• 1.2 可重构计算是半导体技术发展的趋势
• 1.2.1 Makimoto预测曲线
• 1.2.2 现有壁垒效应问题
• 1.2.3 未来发展趋势
• 1.2.4 小结
• 1.3 可重构计算的技术优势分析
• 1.3.1 可重构计算在商用领域的优势
• 1.3.1.1 单位产品成本低
• 1.3.1.2 上市时间短
• 1.3.1.3 可重复编程
• 1.3.2 可重构计算在军事航天领域的优势
• 1.3.2.1 高可靠性
• 1.3.2.2 高适应性
• 1.3.2.3 高集成度
• 1.3.2.4 高利用率
• 1.3.2.5 体积小、重量轻
• 1.3.2.6 功耗低
• 1.4 可重构计算体系结构研究中存在的问题
• 1.5 本论文的工作
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 拟解决的关键问题
• 1.5.3 论文的组织结构
• 第2章 可重构计算体系结构模型研究
• 2.1 可重构硬件基本技术
• 2.1.1 编程技术
• 2.1.2 逻辑模块
• 2.1.3 路由资源
• 2.1.4 动态重构技术
• 2.2 可重构计算系统研究现状
• 2.2.1 可重构系统体系结构分类
• 2.2.1.1 重构单元粒度
• 2.2.1.2 耦合方式
• 2.2.1.3 重构时间
• 2.2.2 国内研究发展现状
• 2.3 一体化可重构计算系统体系结构 OneSys
• 2.3.1 基本概念
• 2.3.2 系统组成结构
• 2.3.3 生产者-消费者通讯机制
• 2.3.4 运行支撑环境
• 2.3.5 详细设计流程
• 2.4 本章小结
• 第3章 可重构计算系统编程模型研究
• 3.1 概述
• 3.2 可重构计算统一编程模型
• 3.2.1 总体结构
• 3.2.2 资源管理
• 3.2.3 任务管理
• 3.2.3.1 任务描述符
• 3.2.3.2 应用描述符
• 3.2.3.3 任务管理操作原语
• 3.2.4 任务间通讯
• 3.2.5 统一软硬件接口
• 3.2.5.1 统一软件接口
• 3.2.5.2 统一硬件接口
• 3.2.6 系统整合与优化
• 3.3 实验测试
• 3.3.1 实验平台
• 3.3.2 结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 可重构计算系统功能建模与仿真
• 4.1 概述
• 4.2 项重写系统
• 4.2.1 历史背景与研究现状
• 4.2.2 基础知识
• 4.2.3 支撑理论
• 4.2.3.1 基础理论
• 4.2.3.2 属性分析
• 4.2.3.3 扩展理论
• 4.3 可重构计算系统元素建模
• 4.3.1 数据产品
• 4.3.2 任务模块
• 4.3.3 虚拟通讯
• 4.3.3.1 直接通讯
• 4.3.3.2 虚拟分发通讯
• 4.3.3.3 虚拟收集通讯
• 4.4 动态可重构计算系统建模
• 4.4.1 任务状态及规则
• 4.4.2 任务调度
• 4.5 系统规范与仿真
• 4.5.1 系统规范
• 4.5.2 系统设计与建模
• 4.5.3 仿真与验证
• 4.6 小结
• 第5章 可重构计算系统快速性能评估模型
• 5.1 概述
• 5.2 任务组合性能评估模型 TaCope
• 5.2.1 类型化的生产者-消费者通讯机制
• 5.2.2 任务建模
• 5.2.3 虚拟任务
• 5.2.4 组合生成法则
• 5.3 案例分析
• 5.3.1 组合电路延迟分析
• 5.3.2 应用系统设计空间搜索
• 5.4 本章小结
• 第6章 可重构计算硬件平台的设计与实现
• 6.1 概述
• 6.2 可重构计算平台简介
• 6.2.1 REARM-1平台
• 6.2.2 XUPV2P平台
• 6.3 REARM-1平台设计与实现
• 6.3.1 系统架构设计
• 6.3.2 电路设计
• 6.3.2.1 ARM核心部分
• 6.3.2.2 ARM外围设备部分
• 6.3.2.3 可重构 FPGA部分
• 6.3.2.4 其它模块
• 6.3.2.5 扩展板
• 6.3.3 印刷布线设计
• 6.3.4 功耗测量原理
• 6.4 动态重构技术
• 6.4.1 配置接口
• 6.4.1.1 配置模式
• 6.4.1.2 配置引脚
• 6.4.2 重构过程与时序
• 6.4.2.1 配置流程
• 6.4.2.2 部分重构过程
• 6.4.2.3 配置时序
• 6.4.3 代码设计
• 6.5 实验测试与分析改进
• 6.5.1 测试方法
• 6.5.2 功能测试与结果
• 6.5.2.1 测试用例
• 6.5.2.2 实验结果
• 6.5.3 性能测试与结果分析
• 6.5.3.1 运行模式
• 6.5.3.2 测试用例
• 6.5.3.3 实验结果
• 6.5.3.4 结果分析
• 6.5.4 实验平台改进
• 6.6 本章小结
• 第7章 全文总结
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 进一步的工作
• 附录A REARM-1硬件平台原理与实物图
• A.1 电路原理图
• A.2 印刷布线图
• A.3 实物图
• 参考文献
• 在论文研究期间撰写的学术论文