嵌入式可重构计算系统及其任务调度机制的研究

论文摘要

随着复杂应用对计算系统性能的要求不断提高，采用单一微处理器已不能满足海量数据处理的需要，迫切需要一种高速可靠的计算系统。目前，研究高性能计算的一个重要课题是可重构计算，将微处理器和可重构硬件嵌入到一个系统中，结合微处理器的灵活性与ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的高效性能，达到软件的灵活与硬件的优化。 可重构计算系统的核心是可重构硬件单元，可以通过配置成不同的硬件逻辑来实现多种功能和应用。国外在可重构计算技术方面已进行了大量的研究，并且有些研究成果已经在实际应用领域取得了成功。其研究采用的可重构硬件有两种：用于可重构系统的特殊FPGA(Field Programmable Gate Array)和专门开发用于可重构计算研究的芯片。然而，目前国内不具备这方面的条件，对可重构计算技术还处于一个学习阶段。在这种前提下，本文设计和实现了一种嵌入式可重构并行计算系统，并对可重构计算的相关理论进行了研究。 本文首先介绍了可重构计算的特点、发展和应用，按单元粒度、耦合程度、配置容量和重构方式对可重构计算分别进行讨论，并研究了可重构计算的关键技术：模型结构、编译技术、快速重构、芯片集成和任务调度。折衷考虑可行性和系统性能后，利用RISC微控制器作为主控制器，多块通用FPGA芯片构成可重构处理单元阵列，提出一种嵌入式可重构计算系统的体系结构。通过对系统结构和软、硬件组成的详细介绍和讨论，以及仿真和样机的实际运行，系统基本达到设计需求，在此平台上可以进行可重构计算技术方面的研究。 可重构计算系统中，多个可重构处理单元构成一个多机并行系统，任务调度策略是决定系统性能的关键。本文对实时并行系统的多任务调度理论进行了深入的讨论，分析了表调度算法、任务复制调度算法、任务集群调度算法和随机搜索调度算法的优缺点和适用范围，在可重构计算系统的多任务调度中引入有向无环图DAG

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 计算机系统发展
• 1.2.1 通用微处理器
• 1.2.2 嵌入式处理器
• 1.3 可重构计算系统
• 1.3.1 技术分类
• 1.3.2 研究和应用
• 1.3.3 研究方向和难题
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 可重构计算技术
• 2.1 可重构计算简介
• 2.2 可重构计算分类
• 2.2.1 按单元粒度划分
• 2.2.2 按耦合程度划分
• 2.2.3 按配置容量划分
• 2.2.4 按重构方式划分
• 2.3 可重构计算的发展
• 2.4 可重构计算关键技术分析
• 2.4.1 模型和结构
• 2.4.2 高级编译技术
• 2.4.3 快速重构方法
• 2.4.4 芯片集成
• 2.4.5 任务调度机制
• 2.5 本章小结
• 第三章 嵌入式可重构并行计算系统研究
• 3.1 体系结构设计
• 3.2 系统组成
• 3.2.1 硬件系统
• 3.2.2 软件系统
• 3.3 系统仿真
• 3.3.1 仿真环境
• 3.3.2 仿真结果
• 3.4 系统运行
• 3.5 本章小结
• 第四章 可重构计算系统任务调度研究
• 4.1 实时系统多任务调度
• 4.1.1 多任务调度
• 4.1.2 并行任务调度算法分析
• 4.1.3 总结与讨论
• 4.2 任务调度算法评估标准
• 4.2.1 性能分析
• 4.2.2 评价参数
• 4.2.3 算法稳定性分析
• 4.2.4 负载均衡性分析
• 4.3 可重构计算系统任务调度机制
• 4.3.1 DAG任务调度
• 4.3.2 并行任务划分
• 4.3.3 ERCS多任务调度
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 本文工作总结及创新点
• 5.2 有待进一步研究的工作
• 参考文献
• 博士研究生期间发表的学位论文目录
• 致谢
• 作者简历
• 学位论文独创性声明
• 学位论文使用授权声明