可重构多流水计算系统研究

论文摘要

从20世纪80年代中期开始,VLSI技术的进步推动了现场可编程逻辑器件（如FPGA）的快速发展。目前,将传统微处理器与可编程器件集成在一起的混合式可重构计算系统正在成为主流计算系统,可重构计算也已经成为国际学术界的研究热点之一,甚至被看作是历史上第三种求算方式。 但是,以前关于混合式可重构计算系统的研究并未涉及到整合多段可重构流水阵列的情况,对可重构流水阵列的实现方法也没有做过系统的论述。本文提出一种集成有多段流水阵列的混合式可重构计算系统——MPRS（Multi-Pipeline Reconfigurable System）,对其系统结构、可重构计算的执行方式以及可重构阵列的系统化实现方法进行了全面论述。 首先,文中提出MPRS的结构模型和执行模型,在此基础上建立了一个完整的混合式可重构计算系统。该系统不仅包括在系统行为层次上描述的MPRS模拟器,还包括编程环境和验证环境,为整个论文的工作提供了研究平台。文中还研究了宿主机、可重构协处理器、存储器之间的有效整合问题,分层次地设计了MPRS可重构协处理器的结构和互连网络,定义了可重构单元的配置字格式。MPRS支持虚拟阵列的实现,为此文中提出一种基于“配置片”的虚拟阵列分析和设计方法,它是设计MPRS协处理器结构时的重要参考,也是确定应用程序中输入、出数据的组织与时序的直接依据。 其次,文中初步研究了混合式可重构计算系统的设计方法,提出了面向MPRS的协同编译流程,重点讨论了可重构流水阵列的系统化实现方法。文中提出基于DGRV的映射方法,分析为实现MPRS阵列的自动化映射而必须考虑的基本问题——目标函数和约束条件,为最终实现算法到阵列的自动映射奠定了基础。进一步地,文中还针对几个典型应用问题开发了MPRS的可重构并行算法、作了编程实现,并将其与类MIPS微处理器作了性能对比,这同时也为MPRS建立起了基本的编程框架。 最后,文中还指出MPRS有待完善的方面,为进一步的研究提供了方向。

论文目录

• 第一章 绪论
• 第二章 研究背景与动因
• 2.1 可重构计算
• 2.1.1 研究可重构计算的动因
• 2.1.2 可重构计算的定义与范畴
• 2.1.3 可重构计算的分类
• 2.2 论文的研究目标
• 2.3 相关工作
• 第三章 MPRS特性与计算模型
• 3.1 MPRS的提出及研究动因
• 3.1.1 开发基于增量重构的流水线可重构计算系统
• 3.1.2 开发基于多段一维阵列的流水线可重构计算系统
• 3.1.3 在流水线可重构计算系统中进行变量的可重构化
• 3.2 MPRS特性
• 3.2.1 可重构计算中存在的问题以及MPRS的对策
• 3.2.2 MPRS机器范例
• 3.2.3 MPRS工作模式
• 3.3 MPRS计算模型
• 3.3.1 计算模型
• 3.3.2 IDC三维结构模型
• 3.3.3 不同结构模型的机器范例
• 3.3.4 混合式系统的计算平台
• 3.3.5 MPRS的可重构计算模型
• 3.4 小结
• 第四章 设计中的若干问题
• 4.1 可重构器件与微处理器的整合
• 4.1.1 扩展微处理器指令集
• 4.1.2 配置字的编码格式
• 4.1.3 MPRS汇编语言格式
• 4.1.4 协同处理系统的接口
• 4.1.5 通信问题
• 4.2 虚拟阵列的实现
• 4.2.1 虚拟硬件技术
• 4.2.2 一种新的虚拟阵列分析和设计方法——“配置片”法
• 4.3 MPRS模拟器及系统运行环境
• 4.3.1 MPRS协处理器模拟器内核结构
• 4.3.2 编程和运行环境
• 第五章 MPRS系统结构
• 5.1 混合式协同处理系统结构
• 5.2 MPRS主处理器系统
• 5.3 MPRS协处理器系统
• 5.3.1 可重构阵列在协处理器级的结构与互连
• 5.3.2 可重构阵列在阵列级的结构与互连
• 5.3.3 可重构单元的结构与互连
• 5.3.4 可重构处理单元的功能
• 5.4 与其它系统的比较
• 5.5 小结
• 第六章 MPRS的系统化实现方法
• 6.1 伴随特征循环的设计方法演绎
• 6.1.1 嵌入式可编程设计方法
• 6.1.2 硬件可重构设计方法
• 6.1.3 MPRS的协同编译器框架
• 6.2 变量可重构化的映射方法
• 6.2.1 传统的基于DG映射方法
• 6.2.2 基于DGRV映射方法的提出
• 6.2.3 基于DGRV的MPRS阵列时—空映射
• 6.2.4 MPRS阵列的算法复杂性
• 6.3 DGRV方法的系统化映射流程
• 6.4 应用DGRV映射方法的算例
• 6.5 小结
• 第七章 应用程序及实验
• 7.1 实验目的与编程环境
• 7.2 一维卷积
• 7.2.1 设计步骤
• 7.2.2 阵列配置
• 7.2.3 实验结果
• 7.3 矩阵向量相乘
• 7.3.1 设计步骤
• 7.3.2 阵列配置
• 7.3.3 实验结果
• 7.4 两矩阵相乘
• 7.4.1 设计步骤
• 7.4.2 阵列配置
• 7.4.3 实验结果
• 7.5 联合计算
• 7.6 小结
• 第八章 结论
• 8.1 论文主要工作和创新点
• 8.2 改进MPRS结构
• 8.3 实现系统设计的自动化
• 8.4 开发MPRS并行算法
• 8.5 可重构计算的发展趋势
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文