中国科学技术大学

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1、中国科学技术大学UNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA博士学位论文论文题目：可重构计算系统体系结构研究与实现作者姓名：罗赛学科专业：计算机系统结构导师姓名：周学海教授完成时间：2006年6月ArchitecturalResearchandImplementationonReconfigurableComputingSystemLuoSaiJune2006AThesisSubmittedinFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyDep

2、artmentofComputerScienceandTechnologyUniversityofScienceandTechnologyofChina表目录摘要本论文的工作得到国家自然科学基金（No.60273042）；中国科学院国防科技创新基金（No.CXJJ-91）；高等学校博士学科点专项科研基金（No.20050358040）的支持.在嵌入式系统快速发展的今天，以无线通信、数字媒体、移动计算等为代表的新一代应用，对电子设备的速度、功耗、集成度、成本以及灵活性等多个方面提出了苛刻的要求。在军事航天领域，则更加看重可靠性、重量、体积、能耗。微小卫星

3、等应用标志着国防科技对低成本和易用性的重视。从传统的以通用处理器（GPP）为基础的软件执行方式，到专用集成电路ASIC为代表的硬件执行方式，对上述的各项指标都没有得到很好的解决。一方面，GPP以指令驱动方式串行执行，功能单元和指令集的有限性使得GPP的性能并不理想。同时指令流执行方式对存储器带宽要求较高。另一方面，ASIC虽然能够获得很高的性能，但它并不能满足日益缩短的设计周期的需要。开发难度大，工程费用高使得ASIC只有在大批量的时候才能显示出其优势。以高密度FPGA为代表的可重构计算填补了GPP和ASIC之间的空白，兼具高性能和灵活性的特点，在各项

4、性能指标中取得更好的平衡，获得越来越广泛的应用。可重构计算是一种新型的时空域上的计算方式。可重构计算系统通常包含大量的可编程硬件资源和路由资源。算法在硬件上实现，以空域的方式并行执行，可以获得非常高的性能。同时，系统可以根据目标算法的运行时特征，在时域上动态调整硬件，使之更好的匹配算法的数据宽度和运算特点等，具有更好的灵活性和动态适应性。由于半导体技术历史发展的原因，可重构计算最初由用户设计定制的可编程器件实现，之后才逐渐转向使用FPGA之类通用器件的道路上来。在可重构计算发展的过程中，出现了多种多样的体系结构。从计算单元考虑有位级、字级和混合级等不同

5、粒度，从网络拓扑考虑有一维线性、二维网孔或交叉开关等不同连接方式，从通讯总线考虑有全局共享、局部共享和局部专用等不同的总线形式。体系结构的多样性为可重构计算的研究和应用无形中设置了障碍。-171-表目录为解决可重构计算的通用性问题，同时实现易用和高效的目标，本文从可重构计算体系结构的角度出发，系统性的研究了从系统架构、通讯机制、应用系统抽象，到编程模型、功能建模与仿真验证、快速性能评估、硬件平台实现等的一系列问题，提出数据驱动的P-C通讯模型、RECUPM统一编程模型、基于组合生成法则的TaCope快速性能评估模型，并根据项重写理论提出基于规则推导的动

6、态重构系统功能建模与仿真框架。本文的创新与贡献主要体现在以下四个方面：1．提出了基于生产者-消费者通讯机制的通用体系结构模型和全新设计方法。本文从可重构计算的网络可定制性的特征入手，提出通过网络的不同组态以影响系统行为的生产者-消费者通讯机制模型，并在此基础上提出支持末期系统整合的全新的设计方法，在模块编译完成之后，仍可以通过任务描述符在设计末期或运行期间改变系统的通讯拓扑结构，提高系统的灵活性。2．提出了功能与接口分立、支持动态调度管理的可重构计算统一编程模型。从可重构计算的功能可定制性的特征入手，本文提出RECUPM统一编程模型。功能分层为系统功能

7、和任务功能。系统功能被描述为操作原语，由系统软硬件、编程接口和任务功能共同实现。任务功能与编程接口分立，使得硬件任务的动态配置更容易实施。同时支持后期优化以便获得更高性能。3．提出了基于项重写理论的动态可重构系统功能建模与仿真框架。基于序类等式逻辑的项重写理论，适合描述局部与并发的系统。本文将项重写理论引入到可重构系统建模领域，解决数据、计算和通讯等基本元素的描述问题，分析动态重构系统中任务状态和高层调度算法的描述方法，形成一套通用的建模与仿真框架，指出用本框架进行系统规范描述和系统功能验证的方法。4．提出了支持层次性组合任务设计的快速性能评估模型。在

8、分析任务性能特征的基础上，类型化P-C通讯机制，提出针对任务的端口类型和延迟、吞吐率、带宽等性