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.
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可重构计算的优点
可重构计算的优点是硬件设计的实现基 于软件的灵活性,并且保持了传统的基于 硬件方法的执行速度.其体系结构可变的 特点,很好地适应了实际应用中的多元化 需求.随着深亚微米VLSI技术的不断发展, FPGA各方面的特点也促使着FPGA逐渐地 取代了ASIC市场.以FPGA为先导的可重 构技术,是半导体科学,材料科学,电子 工程和计算机科学的前沿研究领域.
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.
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
可重构计算需要解决的问题
(4) 可重构计算系统主要还是面向多媒体,图像 与音频等,对于通用计算效率不高,缺少统一的 计算模型. (5) 可重构计算系统过分依赖商家提供的低水平 CAD 工具,缺乏一致性,尚需要对EDA 工具作进 一步的研究开发. (6) 可重构计算系统的结构优化是需要解决的关 键技术之一. (7) 动态重构系统的实现,还涉及设计方法的需要. (8) 目前可重构系统的性能指标依据不统一.
从可重构系统的发展看计算机体系结构发 展特点
1.体系结构多样化.各种计算机结构不断涌现, 每 一种结构都有其合理的部分. 2.存储器结构将成为计算机体系结构研究的重点. 当前的计算机系统中, 存储器结构是制约计算机性 能提高的关键. 3.新的并行计算机制在当前计算机体系结构的研 究中受到普遍关注. 4.逻辑部件与存储部件的结合日益紧密.传统的 计算机系统中处理器是系统核心, 现在计算机体系 结构研究对存储器结构给予了充分的重视, PAM 等结构将存储部件与逻辑部件进行了有机结合. 部分结构甚至以存储器为中心进行.
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.
可重构系统的组成
采用可重构计算技术构建的可重构系统通 常由三个部分组成:主机,RPU (Reconfigurable Processing Unit)和存储系 统.主机用来提供用户接口和I/O服务,编 译器和其他工具也在主机当中.通常,任 何商用PC和工作站都可以看作是主机.
可重构计算的分类
按可重构件的粒度可分为细粒度(fine-grained) 和 粗粒度( coarse-grained). 粒度是指可重构件的基本执行单元的数据位宽度, 其在一定程度上反映了可重构件的数据处理能力. 4 , 4 一般将粒度不超过4 的称为细粒度, 大于4 的称为 粗粒度. 粒度细, 则可重构件的通用性好, 但配置指 令较多.粗粒度可重构件通常针对特定的应用领 域(如密码处理, 多媒体处理) 设计, 结构进行了优 化, 配置也相对简单.比较有名的细粒度可重构 件还有Garp.粗粒度较知名的产品有PADD I, MATR IX,RaP iD, REMARC,PipeRench, 和Mor-phosys等.
目前, 可重构计算技术的研究重点是动态可 重构技术, 动态可重构技术又有两个基本的研究方 向, 一个是基于动态可重构FPGA 的电路设计研究, 一个是基于特定应用的可重构件RU 的设计及算 法映射研究. 可重构计算产品, 如CRAY 的XD1, SGI 的 基于ATLIX 超级计算机的RASC 计算平台, SRC 在IMPLICIT+EXPLICIT 硬件架构以及MAP 处理 器的基础上开发的一系列可重构计算机系统.
按照它们之间的耦合程度可以将可重构计算系统大 致分为4 种模式. 1.功能单元模式 功能单元模式 可重构逻辑资源作为主处理器上的一个功能单 元.此类结构在通用计算机系统结构中比较常见, 如PC 机中的图形加速卡.这种可重构单元以I/ O操 作的方式与主处理器实现紧耦合. 2.协处理器模式 协处理器模式 可重构逻辑资源可以作为协处理器.在这种 结构中, 可重构逻辑可以运行多个时钟周期而无需 主处理器的干涉, 而功能单元每执行一次定制指令 就必须和主处理器交互.这也是一种紧耦合方式.