可重构计算机系统设计
可重构计算(Reconfigurable Computing)
发展趋势
…
…
系统互连的趋势
交换式结构代替总线式 高速串行点对点连接代替并行总线 基于包交换的协议代替独立控制信号 异步协议代替同步协议 传统意义上的互联走向通信模式？ 为可重构互连带来了机会？ 模块化 异步性
“拆”和“聚”
光互连让“拆”成为了可能: 长距离传输，带宽 可重构计算为“聚”提供了支持: 编制新的应用程序时，可直接调用共享内存或消息 传递算法模块，利用已有成果，加速程序的开发。一个应 用程序可能包括对三类结构库函数的并行调用。例如程序 员开发通过投票方式确定基因比对结果的程序（一组数据 调用三组函数库独立处理，结果比对，2：1为执行完）， 机器将自动调整为三部分（SMP、MPP、Cluster），并行 执行三个独立的程序，数据可以共享！
DSAG：光互连－“拆”；RC－“聚”，聚的过程需要重构 研究RC体系结构理论和方法对DSAG理论的指导 研究如何利用现有的RC技术和产品构建DSAG
RC的研究主题
体系结构 逻辑，连接 软件技术 描述，编译，开发环境 快速可重构技术 实时性，更高的动态性 应用 ASIC（小雨点卡），design/verification(龙芯)，DSAG （？）
可重构计算（Reconfigurable Computing）
李磊 eniac@ 智能中心HPC-OG组 2003-10-22
内容
RC：what&why RC的体系结构 RC的研究项目 RC与DSAG
RC：What & Why
可重构计算：Reconfigurable Computing， RC FPGA-based RC 历史：50年代，80年代 目标："the performance of hardware with the flexibility of software." ASIC－专用，processor－通用 性能－成本 我们的目的
可重构系统的设计与优化
可重构系统的设计与优化一、可重构系统的概念可重构系统是一种具有高度灵活性和扩展性的计算机系统，在工作时能够根据具体的需要进行重构和重新配置，以满足不同的应用需求。
可重构系统具有以下几方面的优点。
1. 灵活性高：可重构系统能够根据工作需要进行重构和重新配置，从而实现复杂的运算和处理，适应不同的应用环境。
2. 可扩展性强：可重构系统支持扩展和升级，能够通过增加硬件资源和软件配置，提高系统性能和处理速度。
3. 运算效率高：可重构系统采用专用的硬件和软件结构，支持高效的运算和处理，加速数据传输和处理速度。
二、可重构系统的组成可重构系统由三个主要部分组成，包括可编程逻辑芯片（PLD）、可重构硬件系统（RHS）和可编程软件系统（PSW）。
1. 可编程逻辑芯片：PLD是可重构系统的核心部件，它能够根据需要被编程为执行特定的功能，例如逻辑运算、状态机控制、数据通路等等。
2. 可重构硬件系统：RHS是可重构系统的硬件组成部分，它由一系列可编程的逻辑单元和内部总线组成，用于实现具体的计算和处理任务。
3. 可编程软件系统：PSW是可重构系统的软件组成部分，它提供了操作系统、编译器、调试器和其他软件工具，用于配置和管理可重构系统的硬件和软件资源。
三、可重构系统的设计与优化可重构系统的设计和优化需要考虑以下几个方面。
1. 系统架构设计：可重构系统的架构设计需要根据应用需求和目标性能来选择适当的硬件和软件组件，确定硬件架构和系统结构。
2. 编程语言和系统软件：可重构系统的编程语言和系统软件需要选取适合具体应用的编程语言和工具，如Verilog、VHDL、C/C++等，确保编程效率和代码质量。
3. 优化算法和数据结构：可重构系统的优化算法和数据结构需要根据问题性质和数据特征进行优化设计，提高系统运算效率和处理速度。
4. 系统调试和测试：可重构系统的调试和测试需要进行全面、有效的测试和调试工作，包括系统级测试、模块测试和集成测试等。
电子电路设计中的数字集成电路设计方法
电子电路设计中的数字集成电路设计方法数字集成电路（Digital Integrated Circuit，简称DIC）设计方法在电子电路设计领域中扮演着至关重要的角色。
数字集成电路广泛应用于各种电子设备中，如计算机、通信设备、消费电子产品等。
本文将介绍几种常用的数字集成电路设计方法，并讨论其特点与应用。
一、全定制设计方法全定制设计方法是一种基于传统工艺的数字集成电路设计方法，它通过精确地定义电路的每个元件参数，将电路设计为完全定制化的形式。
在全定制设计方法中，设计师需要手动绘制电路原理图，并进行详细的手工布局和连线。
这种方法具有高度的灵活性和设计自由度，可以满足各种特定应用的需求。
然而，全定制设计方法需要投入大量人力与时间，成本较高，因此更适用于小批量、高性能的电路设计。
二、半定制设计方法半定制设计方法是介于全定制设计和可编程门阵列设计之间的一种设计方法。
在半定制设计方法中，设计师通过使用逻辑门库和标准元件库，将电路的逻辑功能和部分布局进行自定义，而其他部分则采用标准单元的形式。
这种方法兼具了全定制设计的灵活性和可编程门阵列设计的高效性，能够在满足设计需求的同时，有效地减少设计时间与成本。
半定制设计方法广泛应用于中小规模、低功耗的数字集成电路设计。
三、可编程门阵列（Programmable Gate Array，简称PGA）设计方法可编程门阵列设计方法是一种基于Field Programmable Gate Array （FPGA）的数字集成电路设计方法。
在可编程门阵列设计方法中，设计师通过在FPGA上进行逻辑配置，将电路设计实现为可编程的形式。
这种方法具有高度的灵活性和可重构性，能够适应快速变化的设计需求。
然而，相比于全定制设计和半定制设计方法，可编程门阵列设计方法在性能和功耗上存在一定的折中。
可编程门阵列设计方法主要应用于中小规模、低功耗的数字集成电路设计，以及快速原型验证与系统开发。
四、可重构计算机设计方法可重构计算机设计方法是一种基于可重构计算机架构的数字集成电路设计方法。
可重构计算的研究与应用
可重构计算的研究与应用随着计算机科学技术的不断进步，计算机的性能不断提升，计算机在各个领域的应用越来越广泛，但是传统的计算机体系结构却越来越不能满足人们的需求，因此出现了可重构计算的概念。
可重构计算是指在运行时可以根据需求和任务动态重组计算机体系结构，从而实现高效的计算与数据处理。
可重构计算的研究一直是计算机科学领域的热点研究方向之一，可重构计算技术可以广泛应用于诸如高性能计算、网络通信、人工智能等领域。
在传统计算机体系结构中，CPU、内存和存储器等组件是静态组合的，无法根据任务和数据进行动态调整。
而可重构计算通过提供可编程、可重构的芯片和基于软件的可重构体系结构，使得计算机系统可以动态适应多种应用需求。
因此，可重构计算被认为是解决计算机体系结构限制的一种有效方式。
可重构计算的应用可重构计算技术可以应用于众多领域，如高性能计算、图像处理、视频编码、人工智能等。
在高性能计算和科学计算领域，可重构计算可以提高计算资源利用率和效率，而在人工智能领域，可重构计算则可以实现更优质的算法和模型设计。
下面简单介绍几个可重构计算在实际应用中的案例。
第一，可重构计算在高性能计算中的应用。
高性能计算是最常见的可重构计算应用之一。
传统计算机的 CPU、内存、存储器等是静态组合的，而可重构计算的计算机结构可以动态调整，因此尤其适用于大规模、复杂的科学计算。
可重构计算已被广泛应用于各种高性能计算中，例如天气预报、气候模拟和生物学研究等。
第二，可重构计算在图像处理和视频编码中的应用。
图像处理和视频编码是一种需要大量计算资源的任务，通常需要使用专用硬件完成。
而可重构计算技术可以提供一种灵活的可编程体系结构，使得这类任务可以在同一计算机上完成。
例如，视频编码中的帧内预测和变换可以通过可重构计算进行加速，这种加速效果相当显著。
第三，可重构计算在人工智能中的应用。
人工智能领域具有很强的计算需求。
可重构计算可以通过提供更高效的计算资源来支持人工智能算法的设计与运行。
可重构网络系统的设计与实现
可重构网络系统的设计与实现随着计算机技术的不断进步，网络已经成为了日常生活中不可缺少的一部分。
可重构网络系统作为一种较新的网络技术，受到了越来越多的关注，并逐渐成为了潜在的研究热点。
本文就可重构网络系统的设计与实现进行阐述，有助于读者深入了解这种新型网络技术。
一、可重构网络系统的定义可重构网络系统是指一种能够在运行时更改其结构和行为的网络系统。
这种技术的主要目的是提高网络系统的灵活性和可扩展性。
在可重构网络系统中，网络设备可以被动态地重新配置，使得网络能够在运行时完成对数据的处理和转发。
二、可重构网络的实现方式可重构网络系统的实现方式多种多样，主要包括三种方式：可编程逻辑器件、基于软件的可重构网络和体系结构支持的可重构网络。
1. 可编程逻辑器件可编程逻辑器件是一种基于可编程逻辑芯片的可重构网络技术。
可编程逻辑芯片是一种可编程的数字电路，具有可重构性能和大量的资源，可以实现各种各样的网络应用。
在可编程逻辑芯片的支持下，可重构网络设备能够实现动态重新配置和实时处理数据的功能。
2. 基于软件的可重构网络基于软件的可重构网络是一种通过软件配置和运行的可重构网络技术。
在这种网络中，网络设备使用通用计算机硬件和操作系统，通过软件实现网络协议的处理和路由的转发。
这种方式的优点是能够提供灵活性和可扩展性，但缺点是由于软件运行的复杂性，可能会导致性能瓶颈。
3. 体系结构支持的可重构网络体系结构支持的可重构网络是一种基于现代计算机体系结构的可重构网络技术。
这种技术将网络协议的处理和路由的转发分解为多个子操作，然后分别利用专门的硬件模块来完成每个子操作。
这种技术的优点是能够提供高效的数据处理和转发，但缺点是由于专用硬件的使用，缺乏灵活性和可扩展性。
三、可重构网络系统的设计可重构网络系统的设计需要根据不同的网络需求和应用场景进行不同的设计。
在实际应用中，需要考虑以下几个方面：1. 硬件设计：硬件是可重构网络系统的核心组成部分，需要根据需要选择合适的硬件平台和逻辑设备，以实现网络的功能。
可重构计算的原理与应用
可重构计算的原理与应用近年来，随着计算机技术的不断发展，越来越多的人开始关注可重构计算技术。
这种技术具有非常强大的可编程性和可灵活性，可以在不同领域中实现优秀的性能表现。
本文将介绍可重构计算的基本原理、优势和应用，希望可以帮助大家全面了解这一新兴技术。
一、可重构计算的基本原理可重构计算指的是利用一定的硬件架构和可编程技术，将计算机的功能和性能按照需要进行重新配置和调整，并在运行时进行动态优化，从而使计算机系统更加高效、灵活和可扩展。
具体来说，可重构计算可以通过重新配置交换网络、寄存器堆、逻辑单元等模块来增强计算机系统的功能和性能，也可以通过编程技术实现动态调整，从而适应不同的计算任务。
这种技术的出现，极大地提高了计算机的灵活性和适应能力，同时也为新型应用提供了更多的技术支持。
二、可重构计算的优势相比传统计算机，可重构计算具有以下优势：1. 灵活性强可重构计算的主要特点就是其灵活性。
由于其可以通过重新配置硬件架构和调整软件程序来适应不同的计算任务，所以无论是科研、生产、娱乐等各个领域都可以找到适用的应用场景。
这种灵活性不仅提升了计算机系统的适应性和可扩展性，也为用户提供了更多的选择。
2. 可编程性强可重构计算的另一个优势在于其可编程性强。
利用可编程语言和软件工具，用户可以自由地设计、编写、调试和优化软件程序，进而实现更好的性能表现。
同时，由于可重构计算的结构复杂，对于计算机科学和工程领域的专业人才需求也更大，这也为相关行业带来了更多的就业机会。
3. 能耗低相比传统计算机，可重构计算的功耗更低。
由于可重构计算可以将数据流和控制流直接映射到硬件底层，从而避免了一些不必要的中间步骤，大大减少了计算机系统的能耗，效率明显提高。
三、可重构计算的应用可重构计算具有广泛的应用前景，涵盖了大量的领域。
以下是一些典型的应用案例：1. 数据中心可重构计算可以应用于数据中心，通过重构网络、架构和应用程序等方面去提高大数据处理的能力，缩短处理时间、提高数据安全性和可靠性。
可重构计算机系统开发技术及应用
可重构计算机系统开发技术及应用随着计算机技术的不断更新和发展，计算机系统也越来越复杂和高效。
而可重构计算机系统是计算机技术发展的一次重大突破，它具有较高的灵活性和可扩展性，越来越被广泛应用。
一、可重构计算机系统的基本概念可重构计算机系统是一种能够根据应用需要更改硬件功能的计算机系统。
其主要特点是可以根据应用场景自动配置硬件资源，满足不同计算任务的要求。
这种系统不仅具有普通计算机的通用性，还能够完成定制化的需求。
二、可重构计算机系统的开发技术1. 可编程逻辑器件技术可编程逻辑器件（FPGA）是可重构计算机系统的核心技术。
FPGA是一种可编程的、可重构的数字电路芯片，它具有灵活性和可重复性等特点。
FPGA可根据不同的计算任务配置不同的电路，从而实现可重构计算。
2. 配置工具技术配置工具是可重构计算机系统的开发工具。
配置工具可以自动将软件代码转换成硬件描述语言，并实现代码和硬件的一一对应，从而配置FPGA芯片，完成可重构计算的实现。
3. 可重构操作系统技术可重构计算机系统需要针对不同的应用中的不同任务，调配硬件资源。
可重构操作系统是负责这一任务的软件平台。
它可以在系统启动时将应用任务映射到不同的硬件单元，以提高应用程序的执行效率。
4. 可重构体系结构技术可重构体系结构是以可编程逻辑器件为硬件基础，以配置工具和可重构操作系统等软件为支撑，为实现可重构计算而设计的硬件架构。
可重构体系结构可以根据不同的应用需求，自动配置硬件资源，以此提高系统的运行效率和资源利用率。
三、可重构计算机系统的应用1. 数字信号处理可重构计算机系统可以通过实现硬件加速器来提高数字信号处理任务的性能。
可重构计算机系统可以在不影响程序代码的基础上实现对DSP、图像处理和视频处理等计算密集型任务的硬件加速。
2. 军事应用可重构计算机系统在军事装备领域得到广泛应用。
军事系统对处理速度和数据安全性要求较高，而可重构计算机系统具有较高的灵活性和可编程性，可以快速响应不同的应用场景。
一种可重构计算系统设计与实现
中 图法分 类号 ：Ｔ ３ ３ Ｐ９ 文献标 识码 ：Ａ 文章 编号 ：１０ — ６ ５ ２ ０ ） １０ ５ — ３ ０ １ ３９ （ ０ ６ ０ － １４ ０
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面向可重构计算的体系结构设计研究
面向可重构计算的体系结构设计研究近几年来，可重构计算的概念已经逐渐被人们所认知，其概念被广泛运用于计算机科学领域，并且已经成为了计算机体系结构的一个重要的方向。
本文就是要探讨面向可重构计算的体系结构设计研究，旨在为读者们提供一个深入的了解。
什么是可重构计算体系结构？可重构计算体系结构（Reconfigurable Computing Architecture）是指能够在运行时重构电路来适应应用程序所需的计算机体系结构。
传统的计算机体系结构是静态的，它们通过软件来实现计算和控制。
相反，可重构计算体系结构允许硬件逻辑的重新编程，从而实现更有效率的计算和更好的能耗。
可重构计算体系结构可以使用范围从FPGA（Field Programmable Gate Array）到可编程集成电路（ASIC）的级别。
为什么需要可重构计算体系结构？可重构计算体系结构已经成为计算机体系结构的一个重要的方向。
首先，它可以提高计算的效率。
随着计算机应用需求的增加，计算机系统的要求也越来越高。
如果我们能够控制和重构硬件，我们就可以对计算进行更好的优化。
其次，它可以提高计算机的可编程性。
在传统计算机体系结构中，要想实现硬件加速，需要进行大量繁琐的设置和编程。
可重构计算体系结构可以通过软件控制来实现相应的功能，从而使计算机变得更加可编程。
可重构计算体系结构设计研究的主要内容可重构计算体系结构设计涉及多个方面，包括体系结构的基础设计、编译器和软件工具、以及体系结构的应用等。
1. 可重构计算体系结构的基础设计可重构计算体系结构的设计需要从多个方面考虑。
首先，需要考虑计算机的处理器架构，同时也需要研究主存储、缓存和存储控制器等关键的硬件组件。
此外，设计人员还需要为体系结构提供合适的输入输出接口和数据通路。
最后，设计人员需要考虑如何将各个组件结合在一起，形成一个相互协调、高效稳定的计算机。
2. 编译器和软件工具可重构计算体系结构需要特殊的编译器和软件工具，以支持重构和优化。
基于模块的动态可重构系统设计
． ３ 硬件系统结构与模块划分 １ 将整个系统划分成两个大模块： 固定模块和重构模块。 固定模块放置在固定区域， 运行时不被重构， 包含了程序运行 的基本系统和所需的基本外设： 而重构模块放置在重构区域 中， 用以实现不同的硬件加速算法供用户选择。 Ｇ Ｐ Ｆ Ａ资源划 分以及模块放置如图３ 所示， 在图３ 中区域Ａ Ｃ 、 是固定区域，
３ 可重构系统实例设计
根据上述流程， ｉ 公司的场ｒｘ１ Ｒ Ｘ ２卫 ０ 在Ｘ ｌ ｌ ｘ ｎ ｅ ｔ ’Ｉ Ｐ Ｏ ＣＶ ３ 型 号ＦＧ Ｐ Ａ上设计一个基于模块的单芯片动态 自 重构实例，实 现过程如下：
模块设计是具体实现模块的功能。 每个模块作为独立的 工程， 相对顶层是“ 黑盒子”只暴露和其它模块的接口。 ， 在逻 辑层次上， 必须是自 包含的模块， 所有的模块端口必须明确定
顶层设计
模块 设计
模块布局 １ ０Ｂ约束
模块 内部 时序 约束
资
源
预 估
模块实现
模块实现
模块集成
模块集成
图 ２ 基于模块的动态重构系统设计流程
约束进行改动。 模块实现时只考虑模块内部的连接关系以 及 约束文件中规定的总线宏位置， 不受其它模块的影响。 ． ２ 模块集成 ４ 重构模块对应的部分比特流文件只能对重构区域进行配 置， 至少需要一个完整的模块组合首先被配置， 并在ＦＧ Ｐ Ａ中 正常运行， 所有的全局的、 非可重构的逻辑被放置并且锁定， 重构模块才能正常运行去重构区域中。因此， 必须将各个单 独的模块按顶层设计合并起来形成一个完整的 ＦＧ Ｐ Ａ设计， 生成完整地比特流文件。 在实现阶段各个模块的布局布线都 将会被保留， 保证每个模块的性能。
收稿日 ２ ７ ２ 期： ０ 一 ３ Ｅｍ ：０ ０１ ＠ 山 一ｕ 例． 一ａ ５２ １ 允 川已 ． ｌ ｉ ２ ３ ０ ｄｃ ｎ 基金项目 ：国家自 然科学基金项目（ ５３０） ０ １ ｏ ６７ ５ 作者简介： 许骏 （ ８一 ， 福建上 ｌ ３ ） 男， ９ 杭人， 研究生， 硕士 研究方向为 嵌入式系统设计： 晏渭川 （ ７一 ， 湖北罗田 硕士 ９ １ ） 男， ９ 人， 研究生， 研 究方向为软硬协同设计和快速样机生成技术： 彭澄廉，男，教授，经过布局布线后的电路描述文件（ ｉ ｃ ｕ ｄｓ ｐ ｎ ｖ ｉ ｉｅ ｃ － ｔ ｃ ａ ｅｒ ｔ ｔ ｉ ｉ ＮＤ ｔ ，Ｃ 进行改动。 ｎ ｏ ） 基于模块的设计方法是将模块化设计方 法拓展到重构系统的设计中， 多用于设计的系统较大， 每个模
星载可重构计算机硬件验证平台设计
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图 １ 系统 的体 系架构
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墨载可重构计算机硬件验证平 台设计
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分析面向多任务的可重构星载计算机设计
分析面向多任务的可重构星载计算机设计摘要：随着社会科学技术的不断发展，计算机在各方面的领域发挥了不可替代的重要作用，并越来越受到人们的关注。
为了让星载计算机满足在微小卫星上的各种任务需求，设计者对星载计算机的传统结构进行了多方面的改进，他们参照了生物的干细胞管理机制从而设计出了一种现场可编译门阵列（field program mable gate array），简称fpga的动态资源管理方案，并在此基础上与动态部分重构技术相结合提出了一种随着任务进程改变而改变的自我调节电路结构设计方案。
与传统的可重构星载计算机相比，该设计方案使可重构星载计算机同时在完成多项任务时消除硬件间的竞争，在系统层面上增强了抗辐射能力，简化在轨升级体系等优势。
关键词：可重构星载计算机；设计方案；优势中图分类号：tp338 文献标识码：a 文章编号：1674-7712 （2013）06-0065-01近年来，随着计算机快速发展和微小卫星集成度不断提高，越来越多的传统星载计算机由于不能满足多个工作任务的完成，为了更好满足多任务、多进程的工作需要，设计者提出了一种新的可重构星载计算机设计方案。
本文就该新的设计方案进行了探讨。
一、传统可重构星载计算机多任务环境下存在的缺陷以前在设计可重构星载计算机系统中，设计者在设计中更多的倾向于计算机的重构过程，即是重构触发体系和重构管理体系，即是在什么时间什么情况下人工选择重构什么样的电路，并利用额外的只能控制器来实现整个重构过程。
这种人工干预方案在单一任务或任务较少时，能达到较高的工作效率。
但是为了满足在微小行星上的各种任务需求，仅仅依靠人工干预不能最好的利用星载计算机的资源，所以可重构星载计算机必须要具备完全的自我的动态调节能力。
我们用一个实例来说明，当星载计算机接到一个任务时，计算机会分配相应的资源，比如给任务1分配的是解算电路资源，在解算任务1过程中，优先级更高的任务2也需要解算电路资源，那么计算机会中断任务1优先去处理优先级更高的任务2并进入解算过程，当任务2解算完毕时在来解算任务1时，任务1开始在解算过程中产生的数据流已经被解算任务2时覆盖了，这样就导致出现计算结果错误的现象。
可重构计算
可重构计算
可重构计算基于现场可编程门阵列——— FPGA.FPGA的编程技术主要有两种:一种是反 熔丝技术,即通常所说的电可擦写技术,但是这种技 术的可重构实时性太差;另一种是基于静态存储器 ( SRAM)可编程原理的FPGA编程技术,这种硬件 包含计算单元阵列,这些计算单元的功能由可编程 的配置位来决定.当前大多数的可重构设备是基 于静态存储器的,其实现计算单元的粒度随不同的 系统要求而不同.
可重构计算
传统的计算方式有两种: 一种是采用对通用微处理器进行软件编程 的方式,软件的方式通用性好, 但运算速度不 高 一种是采用A S IC 的方式. A S IC 方式处理 速度快, 但只能针对特定的算法, 通用性不 好
可重构计算
可重构计算(Reconfigurable Computing) 是在 软件的控制下, 利用系统中的可重用资源, 根据应 用的需要重新构造一个新的计算平台, 达到接近专 用硬件设计的高性能.具有可重构计算特征的系统 称为可重构系统. 简单地说,就是利用FPGA 逻辑实现计算任 务.有的称作自适应计算(adaptive computing) , 也有的称之为FPGA 计算.
3.独立处理单元模式 独立处理单元模式 属于这类系统的可重构逻辑部分一般包含多个 FPGA .这是一种最松散的耦合形式. 4.SoPC模式 模式 处理器,存储器和可编程逻辑集成在同一个 FPGA 芯片上, 称为单芯片可重构计算系统 (SoPC) .这种系统中CPU 和FPGA仍然是紧密 耦合的结构, 同时片上存储系统和CPU 与FPGA 接口能力则进一步提高了系统的性能.以往的 SoC (System on chip) 设计依赖于固定的ASIC , 而SoPC是以可编程逻辑器件取代ASIC , 越来越 多地成为系统级芯片设计的首选.
计算机辅助可重构制造系统设计的原理
构制造 系统设计 的流程及其原型系统框架 ，并分析智能可重构制造 系统设计 、可重构制 造系统生 产管理控制 系统设计 和可
重构制 造系统生成及其集成设计等计算机辅助可重构制造 系统设计 的关 键技术 。已取 得 的研究成 果表 明 ，计算机辅助 可重
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６ ２・
《 机床与液压》２ ０ ． ｏ７系统设计的原理
蔡 宗琰 ， 李小宁
１０４ （．长安大学工程机械 学院 ，西安 ７０ ６ ；２ 南京理工大学机械工程学院 ，南京 ２０ ９ ） １ １０ ４ ．
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可重构计算架构设计与应用现状分析
可重构计算架构设计与应用现状分析一、概述可重构计算架构（Reconfigurable Computing Architecture，RCA）是一种可以根据任务需求动态调整电路架构和逻辑功能的计算架构。
随着计算机技术的迅猛发展，传统的固定计算框架不能适应新型应用的需求，可重构计算架构应运而生。
本文旨在介绍可重构计算架构的设计原理、应用现状分析以及未来发展前景。
二、可重构计算架构的设计原理可重构计算架构是利用FPGA（Field Programmable Gate Array）这种可编程逻辑器件实现电路可重构的计算架构。
其核心技术是“可重构逻辑电路”，即通过修改逻辑电路中的布局和连线来改变电路的运算功能。
1. 可重构逻辑电路的基本结构可重构逻辑电路由基本元件和互连网络两部分构成。
基本元件是可编程的逻辑单元，而互连网络则是将这些逻辑单元进行有机组合的级联网络。
从而在逻辑单元的级联组合中实现目标电路。
2. 可重构计算架构的实现方法可以通过一种“可编程”的方式来实现电路的可重构。
也可以通过“可配置”的方式实现。
可编程是基于FPGA技术的可重构计算架构，基于FPGA可以设计各种逻辑单元实现任何目标电路。
可配置则是通过运算器、多媒体加速器和网络交换机等集成电路实现电路的重构，通过重新连接电路的功能块和更改其配置参数等方式，以实现不同功能的电路。
三、可重构计算架构的应用现状分析1. 可重构计算架构的计算机视觉应用利用可重构计算架构可以实现实时的数字图像处理和计算机视觉。
例如，实现对高清晰度视频流的实时处理、对高分辨率的图像进行实时处理等。
2. 可重构计算架构的嵌入式应用利用可重构计算架构可以实现嵌入式应用，例如，在工业自动化领域中，可以利用可重构计算架构来控制各种传感器以及执行机器人的任务。
3. 可重构计算架构在科学计算领域的应用可重构计算架构在大数据、生物医药和人工智能等领域也有着广泛的应用。
例如，在大数据计算中实现了数据的可视化、处理和分析，能够通过可重构计算架构实现这种大数据的实时处理和计算。
可重构系统的设计与应用
可重构系统的设计与应用随着科技的不断发展，可重构系统成为了当前科技领域的热点之一。
可重构系统是一种具备对其架构、外部行为或功能进行动态改变能力的计算机系统，可以通过软件或硬件的手段来实现对系统的灵活构建、定制和优化。
这种系统的主要应用在机器人、通信、军事、医疗、多媒体和互联网应用等方面，得到了非常广泛的应用。
下面将从可重构系统的设计和应用两方面展开讨论。
一、可重构系统的设计1.1 可重构硬件设计可重构硬件设计是非常重要的一部分。
在这种设计过程中，集成了大量的逻辑单元, 通过重新布局和重定向，使可重构硬件能够动态地自适应不同的数据处理和计算要求。
这种设计成为了大数据、AI和高性能计算等领域的首选方案。
在可重构硬件的设计中，重要的是复杂性管理，这是由两种设计方法来实现的：基于原始逻辑门的方法和高层次语言的方法。
1.2 可重构软件设计可重构软件设计是软件工程领域中一种新的思想。
在这种设计中，将软件与硬件相结合，实现软件自适应性和动态性。
软件可以通过硬件配置等因素去调整自己的行为或功能。
在软件设计方面，现在普遍采用的可重构软件模型是MDE (Model Driven Engineering)模型，它是一种基于模型的软件开发方法，通过对模型进行形式化分析来创建可重构的软件，并在需求和设计中对其进行动态修改。
二、可重构系统的应用2.1 机器人领域可重构系统在机器人领域中的应用非常广泛。
使用可重构系统设计的机器人在不同的环境中，能够自适应性地改变其结构、动作和导航方式，在执行任务时能够提升效率并减少能源消耗。
例如，在仓库中活动的机器人，在遇到不同的布局和地形的情况下，可重构系统能够自动改变其结构和动作，从而更好地完成任务。
2.2 通信领域在通信领域中，可重构系统也有着重要的应用价值。
在移动电话信号弱、不同协议之间存在兼容性问题的情况下，可以使用可重构软件和硬件技术实现动态配置、优化和调整。
例如，可重构路由器，在传输数据时可以动态地控制和管理流量，以提升性能和效率。
可重构计算
当前可重构计算或系统需要解决的问题
(1) 粒度问题.细粒度的可重构电路面积的使用 效率很低. (2) 如何改进结构来减少重构时间.在数据重载 时,FPGA端口对外呈高阻状态,重载后,才恢复对 外的逻辑功能.这就是所谓的重构时隙,将影响 系统功能的连续.如何克服或减少重构时隙,是 实现动态重构系统的瓶颈问题. (3) 数据传输和存储问题.现在的可重构芯片提 供的片上存储器太少,因而,许多重构计算的应用 需要更大的外部存储器.当前设计中,最迫切需 要优化解决的问题是Memory带宽和能耗.
可重构计算
可重构计算基于现场可编程门阵列——— FPGA.FPGA的编程技术主要有两种:一种是反 熔丝技术,即通常所说的电可擦写技术,但是这种技 术的可重构实时性太差;另一种是基于静态存储器 ( SRAM)可编程原理的FPGA编程技术,这种硬件 包含计算单元阵列,这些计算单元的功能由可编程 的配置位来决定.当前大多数的可重构设备是基 于静态存储器的,其实现计算单元的粒度随不同的 系统要求而不同.
可重构计算的分类
可重构计算又可按重构发生的时间分为静态重构 和动态重构. 静态重构是指在可重构件运行之前对其进行预先 配置, 在运行过程中其功能保持不变, 即运行过程 中不能对其进行重构. 动态重构是指在可可重构件运行的过程中可根据 需要对其实时进行配置, 改变其电路结构, 实现不 同的功能.
可重构计算系统的分类
Garp 是加州大学伯克利分校提出的一种可重构体系结构, 其 结构如图2 所示. 该结构中, 可重构阵列与一个通用的MIPS 处理器构成了一个混合式计算系统, 可重构阵列与通用处理 器共享内存和数据缓冲, 二者之间形成一种主协处理器的关 系. 该结构的优点是兼具了通用处理器的灵活性和可重构部 件的高速性. 通用处理器完成通用程序的处理, 对于特定的 循环和子程序, 则由可重构阵列在通用处理器的控制下实现 加速处理. Garp 结构一般集成在一个芯片上, 形成一个片上 系统.
基于MicroBlaze的可重构嵌入式系统设计
ｉｒ Ｂａ ｅ ＰＡ 可重构技 术是 目前计 算机 系统研 究 中的一个 新热 点 ，是 指依 外部 电路 ，因此利 用 Ｍ ｃｏ ｌｚ 微处 理器作 为 Ｆ Ｇ 在线 重配置 靠软件 编程来 改变系 统的硬 件结 构， 以适应 不 同应用 的一种技 术 ， 系统 的控制 器是较 好 的选择 。 也称 为 自适应 计算平 台。作为 一种新 的体 系结构 ，可重 构技 术可 麟 依据 不同 的应 用 ，将 同一 个器件 重新 定制 ， 以完 成不 同的任 务 ， 审 嵩 从 而达到 降低开 发成本 、加 快开发 进度 的 目的 。 文基于 ｘ ｎ 本 ｉｉｘ ｌ 蒜 Ｉ． ．．．＿ｊ ．． ． ． ．．． ． ．．． 蘸
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面向未来的可重构计算机系统设计
面向未来的可重构计算机系统设计一、引言随着科技进步的不断推进，计算机的应用已经深入到各个领域，逐渐改变了人们的生产、生活方式。
然而，传统的计算机架构设计已经不能满足未来的高性能、高效能需求，同时也存在着消耗能耗高、运算速度慢的问题。
因此，可重构计算机系统成为未来计算技术发展中的重要方向。
二、可重构计算机系统的概述可重构计算机系统是指能够依据应用需求动态调整硬件结构和软件的一类计算机系统。
其最大特点是可实现在运行时的动态重新配置，从而提高运算性能并减轻能耗压力。
与传统计算机不同的是，可重构计算机能够对硬件进行重新编程，实现“按需定制”功能。
此外，可重构计算机系统也可以实现不同应用软件的复用，进一步加快应用开发和执行的速度。
因此，可重构计算机系统成为了未来计算机技术发展的重要方向之一。
三、可重构计算机系统的设计与实现1. 可重构硬件设计可重构硬件设计是可重构计算机系统中最关键的一步，能够决定系统的性能和适应性。
与传统计算机架构不同，在可重构计算机中，用户可以动态调整硬件结构，因此需要尽可能使硬件可编程，支持程序运行时的动态配置。
常见的可重构硬件设计方法包括：FPGA（Field Programmable Gate Array）和ASIC（Application Specific Integrated Circuit）。
FPGA 是使用可编程逻辑器件构建硬件的一种方法，具有可重构性强、灵活性高等特点；而 ASIC 是将应用特定的硬件电路整合到同一个芯片的一种方法，具有性能高、功耗低等优点。
两者各有优缺点，设计者需要根据应用需求选择适合的可重构硬件实现方案。
2. 可重构软件设计在可重构计算机系统中，软件也需要实现可重构性。
与传统计算机编程方式不同，可重构计算机的软件需要支持程序运行时的动态重构。
可重构软件设计需要考虑到多种因素，包括：软件可重构性，运行时性能，系统安全性等。
一种常见的可重构软件设计方法是采用基于 Java 的软件架构，平台使用 Virtex-II Pro FPGA，具有高度可重构性、通用性和可扩展性。
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可重构计算机系统设计
近年来，可重构计算机系统成为了计算机领域的热门研究方向。
这种计算机系统的最大特点就是能够根据不同的任务需求，自适
应地重新配置其硬件结构，以达到最优化的计算性能。
相比传统
计算机系统，可重构计算机系统的灵活性和高效性更加出色，因
此在诸多领域有着广泛的应用前景。
可重构计算机系统的设计，需要考虑到以下几个方面：
1.硬件结构设计
可重构计算机系统的硬件结构设计是至关重要的。
硬件的结构
是否能够满足各种任务需求，以及重构的速度和效率，都是该系
统成功的关键因素。
设计者需要充分考虑硬件资源的利用率和分
配策略，以确保在不同任务下系统能够最优化地配置硬件结构。
2.软件算法设计
除了硬件结构设计之外，软件算法的设计和优化也是可重构计
算机系统设计过程中必须要考虑的方面。
由于重构过程需要相应
的软件支持，因此如何设计高效的算法是至关重要的。
同时，软
件算法的优化可以帮助系统更好地利用硬件资源，提高计算性能。
3.系统整体性能优化
对于可重构计算机系统而言，整体性能优化是一个非常重要的
问题。
在设计过程中，注重系统整体性能提升可以降低系统开销，并使得系统的应用范围更加广泛。
设计者可以从多个方面考虑，
如利用并行处理技术、减小通信延迟等，以进一步提高可重构计
算机系统的性能。
总体而言，可重构计算机系统设计需要具备严谨的科学理论基
础和宽广的实践技能。
只有将计算机系统的硬件与软件紧密结合，才能够有更好的性能表现和更广泛的应用空间。
相信随着技术的
不断发展，可重构计算机系统的设计与应用将会在更多的领域得
到广泛应用。