动态部分可重构系统空闲资源全集管理
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第 ４０ 卷 第 ２ 期 ２０１３ 年 ２ 月
计算机科学 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ ２０１３
动态部分可重构系统空闲资源全集管理研究
柴 亚 辉１，２ 张 胜 辉２ 黄 卫 春２ 刘 觉 夫２ 徐 炜 民１
（上 海 大 学 计 算 机 工 程 与 科 学 学 院 上 海 ２０００７２）１ （华 东 交 通 大 学 信 息 工 程 学 院 南 昌 ３３００１３）２
Ｍ ｖａｌｕｅ ｉｎ ａｎｄ ｏｕｔ ｏｆ ｏｎｅ－ｗａｙ ｓｔａｃｋ ｔｏ ｆｉｎｄ ａｌｌ ｍａｘｉｍａｌ ｆｒｅｅ ｒｅｃｔａｎｇｌｅｓ．Ｗｅ ｕｓｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｆｒｅｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｄｙｎａｍｉｃ ｐａｒｔｉａｌ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，Ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ，Ｍａｘｉｍａｌ ｆｒｅｅ ｒｅｃｔａｎｇｌｅｓ，Ｏｎｅ－ｗａｙ ｓｔａｃｋ
近年来，ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）作 为 可 重构硬件技术的代表，既具有通用处理器的灵活性，又具备 硬 件 的 速 度 优 势 ，一 直 备 受 业 界 关 注 。 ［１，３］ 其 重 构 方 式 有 以 下 ２ 种分类：一种分类为完全可重构和部分可重构；另一种分类 为 静态可重构与动态可重构。由于动态部分可重构硬件在运行 时 改 变 芯 片 配 置 不 影 响 芯 片 上 原 有 任 务 的 执 行 ，因 此 与 传 统 可重构硬件相比，其 配 置 更 灵 活 ，芯 片 利 用 率 更 高［２］。 合 理、 高效地寻找空闲资源全集策略对系统整体性能起着非常重要 的 作 用［４］。
ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｒｅｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎ ｅｆｆｉ－ ｃｉｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｆｉｎｄ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｍａｘｉｍａｌ ｆｒｅｅ ｒｅｃｔａｎｇｌｅｓ（ＭＦＲ）ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｎｅ－ｗａｙ ｓｔａｃｋ．Ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｕｓｅｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
１ 相 关 研 究
价任务在 ＦＰＧＡ 上 的 布 局 好 坏，因 此 不 利 于 资 源 的 高 效 使 用。
Fra Baidu bibliotek
摘 要 可重构系统兼具了传统处理器的灵活 性 和 接 近 于 ＡＳＩＣ 的 计 算 速 度，ＦＰＧＡ 的 动 态 部 分 重 构 能 够 实 现 计 算 和重构操作的同时进行，使系统能够动态地改变任务的运行。在动态部分可重构系统中，高效的空闲资源管理策 略 对
系统整体性起着非常重要的作用。提出了一种 基 于 单 向 栈 的 算 法 来 寻 找 最 大 空 闲 矩 形 （ＭＦＲ）。 利 用 可 重 构 计 算 单
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ＡＳＩＣ ａｐｐｒｏｘｉ－ ｍａｔｅｌｙ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｐａｒｔｉａｌ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ａｎ
Ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ Ｆｒｅｅ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐａｒｔｉａｌ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ
ＣＨＡＩ Ｙａ－ｈｕｉ １，２ ＺＨＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ－ｈｕｉ ２ ＨＵＡＮＧ Ｗｅｉ－ｃｈｕｎ２ ＬＩＵ Ｊｕｅ－ｆｕ２ ＸＵ Ｗｅｉ－ｍｉｎ１ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）１ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）２
元的不同 Ｍ 值进出单向栈来找到所有最大空闲矩形。通过 实 验 表 明，算 法 通 过 使 用 单 向 栈 与 算 法 优 化，有 效 地 提 高
了查找空闲资源全集的性能。
关 键 词 动 态 部 分 可 重 构 ，可 配 置 的 逻 辑 门 阵 列 ，最 大 空 闲 矩 形 ，单 向 栈 中 图 法 分 类 号 ＴＰ３０２，ＴＰ３１６ 文 献 标 识 码 Ａ
务放置的成功率受到较大影响。通过顶点链表来管理 ＦＰＧＡ 上的空闲资源是由 Ｔａｂｅｒｏ［７］提出 来 的，但 是 任 务 的 动 态 添 加 和删除使得顶点链表的管 理 和 查 找 比 较 复 杂 。Ｈａｎｄａ［８］使 用 寻 找 最 大 空 闲 矩 形 的 完 全 集 来 实 现 空 闲 资 源 的 管 理 ，但 其 使 用的楼梯 算 法 比 较 复 杂 。ＳＬＡ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｌｉｎｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）［９］ 利用叫做“Ｖａｌｌｅｙ Ｐｏｉｎｔ”的算法来 搜 索 所 有 的 最 大 空 闲 矩 形， 其搜索所有的 最 大 空 闲 矩 形 ＭＦＲ（Ｍａｘｉｍａｌ Ｆｒｅｅ Ｒｅｃｔａｎｇｌｅ） 的算法的复杂度比较高。在文献［１０］中通过管理被任务 占 用 的 区 域 来 间 接 地 管 理 空 闲 区 域 ，这 种 方 法 由 于 不 能 很 好 地 评
计算机科学 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ ２０１３
动态部分可重构系统空闲资源全集管理研究
柴 亚 辉１，２ 张 胜 辉２ 黄 卫 春２ 刘 觉 夫２ 徐 炜 民１
（上 海 大 学 计 算 机 工 程 与 科 学 学 院 上 海 ２０００７２）１ （华 东 交 通 大 学 信 息 工 程 学 院 南 昌 ３３００１３）２
Ｍ ｖａｌｕｅ ｉｎ ａｎｄ ｏｕｔ ｏｆ ｏｎｅ－ｗａｙ ｓｔａｃｋ ｔｏ ｆｉｎｄ ａｌｌ ｍａｘｉｍａｌ ｆｒｅｅ ｒｅｃｔａｎｇｌｅｓ．Ｗｅ ｕｓｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｆｒｅｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｄｙｎａｍｉｃ ｐａｒｔｉａｌ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，Ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ，Ｍａｘｉｍａｌ ｆｒｅｅ ｒｅｃｔａｎｇｌｅｓ，Ｏｎｅ－ｗａｙ ｓｔａｃｋ
近年来，ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）作 为 可 重构硬件技术的代表，既具有通用处理器的灵活性，又具备 硬 件 的 速 度 优 势 ，一 直 备 受 业 界 关 注 。 ［１，３］ 其 重 构 方 式 有 以 下 ２ 种分类：一种分类为完全可重构和部分可重构；另一种分类 为 静态可重构与动态可重构。由于动态部分可重构硬件在运行 时 改 变 芯 片 配 置 不 影 响 芯 片 上 原 有 任 务 的 执 行 ，因 此 与 传 统 可重构硬件相比，其 配 置 更 灵 活 ，芯 片 利 用 率 更 高［２］。 合 理、 高效地寻找空闲资源全集策略对系统整体性能起着非常重要 的 作 用［４］。
ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｒｅｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎ ｅｆｆｉ－ ｃｉｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｆｉｎｄ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｍａｘｉｍａｌ ｆｒｅｅ ｒｅｃｔａｎｇｌｅｓ（ＭＦＲ）ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｎｅ－ｗａｙ ｓｔａｃｋ．Ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｕｓｅｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
１ 相 关 研 究
价任务在 ＦＰＧＡ 上 的 布 局 好 坏，因 此 不 利 于 资 源 的 高 效 使 用。
Fra Baidu bibliotek
摘 要 可重构系统兼具了传统处理器的灵活 性 和 接 近 于 ＡＳＩＣ 的 计 算 速 度，ＦＰＧＡ 的 动 态 部 分 重 构 能 够 实 现 计 算 和重构操作的同时进行，使系统能够动态地改变任务的运行。在动态部分可重构系统中，高效的空闲资源管理策 略 对
系统整体性起着非常重要的作用。提出了一种 基 于 单 向 栈 的 算 法 来 寻 找 最 大 空 闲 矩 形 （ＭＦＲ）。 利 用 可 重 构 计 算 单
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ＡＳＩＣ ａｐｐｒｏｘｉ－ ｍａｔｅｌｙ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｐａｒｔｉａｌ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ａｎ
Ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ Ｆｒｅｅ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐａｒｔｉａｌ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ
ＣＨＡＩ Ｙａ－ｈｕｉ １，２ ＺＨＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ－ｈｕｉ ２ ＨＵＡＮＧ Ｗｅｉ－ｃｈｕｎ２ ＬＩＵ Ｊｕｅ－ｆｕ２ ＸＵ Ｗｅｉ－ｍｉｎ１ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）１ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）２
元的不同 Ｍ 值进出单向栈来找到所有最大空闲矩形。通过 实 验 表 明，算 法 通 过 使 用 单 向 栈 与 算 法 优 化，有 效 地 提 高
了查找空闲资源全集的性能。
关 键 词 动 态 部 分 可 重 构 ，可 配 置 的 逻 辑 门 阵 列 ，最 大 空 闲 矩 形 ，单 向 栈 中 图 法 分 类 号 ＴＰ３０２，ＴＰ３１６ 文 献 标 识 码 Ａ
务放置的成功率受到较大影响。通过顶点链表来管理 ＦＰＧＡ 上的空闲资源是由 Ｔａｂｅｒｏ［７］提出 来 的，但 是 任 务 的 动 态 添 加 和删除使得顶点链表的管 理 和 查 找 比 较 复 杂 。Ｈａｎｄａ［８］使 用 寻 找 最 大 空 闲 矩 形 的 完 全 集 来 实 现 空 闲 资 源 的 管 理 ，但 其 使 用的楼梯 算 法 比 较 复 杂 。ＳＬＡ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｌｉｎｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）［９］ 利用叫做“Ｖａｌｌｅｙ Ｐｏｉｎｔ”的算法来 搜 索 所 有 的 最 大 空 闲 矩 形， 其搜索所有的 最 大 空 闲 矩 形 ＭＦＲ（Ｍａｘｉｍａｌ Ｆｒｅｅ Ｒｅｃｔａｎｇｌｅ） 的算法的复杂度比较高。在文献［１０］中通过管理被任务 占 用 的 区 域 来 间 接 地 管 理 空 闲 区 域 ，这 种 方 法 由 于 不 能 很 好 地 评