可重构技术的研究

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1、可重构技术的研究一绪论长期以来，人们使用两种方法来实现电子系统中的计算：一种是使用专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuits，ASIC），另一种是使用通用处理器。ASIC器件具有速度快，可靠性高的特点，但是，它缺乏灵活性，一旦设计制造完成，就只能支持某个或者某类固定的算法。同时ASIC的设计流程复杂，随着集成电路（IntegratedCircuits，IC）工艺的发展，IC集成度不断提高，系统复杂度呈指数级增长，系统出错的可能性也在增加，势必需要花大量时间和资金用于系统验证和测试，这都会带来设计周期的延长和研发成本

2、的增加。通用处理器采用指令驱动方式，通过软件来实现算法。这种方法具有灵活、开发周期短、成本低的特点。算法改变时，只需重新编写程序，然后编译执行，硬件不需要改动，但这种方法也存在速度慢，效率低的缺点，采用软件方法，很可能需要执行多条指令才能完成一个ASIC电路的操作，对于实时性要求高的应用，软件的方法难以满足要求。自20世纪80年代中期Xilinx公司推出其第一款现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArrays，FPGA）以来，另一种实现计算的手段——可重构计算技术逐渐受到人们的重视。可重构硬件可以通过改变内部配置实现不同算法，它既有接近

3、于ASIC的速度，也有接近于通用可编程处理器的灵活性，是灵活性和速度之间的一个折中。最早的可重构计算机出现在20世纪60年代早期，是由UCLA大学（UniversityofCaliforniaatLosAngeles）的GeraldEstrin提出并设计实现的固定+可变结构计算机（FixedPlusVariable/F+VStructureComputer）Error!Referencesourcenotfound.，其核心是一个不可更改的可编程处理器和一个可更改的数字逻辑组件。F+V体系结构及其软件系统成为现代可重构计算系统原型。限于当时的技术条件，Estr

4、in只实现了一个粗糙的原型系统，但这种结构奠定了以后可重构计算系统的核心基础。随着微电子技术的进步，尤其是可编程器件按照摩尔定律Error!Referencesourcenotfound.在容量上不断增大，性能不断提高，以及电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation，EDA）技术的发展，可重构计算技术逐渐投入实际应用，由原型系统演变为实际应用系统，并在各种应用场合表现出优越性能。作为可重构计算的关键技术，早期FPGA的成功应用当属ASIC逻辑仿真。可重构计算技术在高性能计算领域一个成功应用例子是Splash2，在遗传学方面基因组分析的

5、应用中，它比当时的SPARC10工作站的运算速度整整快了2500倍；若做灰度图像的中值滤波器，则比SPARC10快几乎140倍。在近年的研究中，可重构计算技术在媒体处理，信息安全，通信等计算密集的应用领域得到了广泛应用。表一是可重构计算系统，通用处理器和ASIC器件在实现算法时，各方面的特性比较。由表一可见，可重构系统填补了传统软硬件之间的鸿沟，兼具有硬件系统的高性能和软件的灵活性，为计算任务的实现提供了新的选择方案。表Error!Notextofspecifiedstyleindocument.1ASIC，可重构系统与通用处理器特性比较特性ASIC（单核）

6、通用处理器可重构系统速度快慢较快并行性可充分利用算法的并行性只能实现指令级并行可充分利用算法的并行性资源消耗随应用而变化不变不变开发难易难，周期长易，周期短开发周期短，难度介于ASIC与通用处理器之间一次性投入成本高低低可升级性无有表一有由此可见，可重构系统现比与其他的ASIC系统和通用的处理器系统，具有它自己独特的优势，在某些专用领域可以发挥巨大的作用。二基于FPGA的可重构可重构计算基于现场可编程门阵列，即FPGA，可以这样认为，FPGA技术的发展，推动了可重构技术的发展，而可重构技术的进展和需求，也促进了FPGA技术的进步。FPGA是PLD与ASIC两种

7、技术相结合而产生的成果。PLD源于PROM，在PROM中附加了一个多功能的PAL，使得PROM有更多的输入并内含嵌入式寄存器，当这类器件的功能不断增长，就演变而成现在的FPGA。有关FPGA的技术特性是多方面的，但从体系结构角度来考虑，三个特性是我们最为关心的:①如何通过编程的方法，使得它适应于特定任务的需求；②特定任务中包含了哪些FPGA中的器件;③FPGA内各器件间是如何互连的，以下我们分别讨论这3个问题。2.1　编程技术可重构计算的概念早在20世纪60年代就已提出。在通用微处理器上也运用了这一思想，如组件就是利用多路选择器来实现功能的变化。而这些组件一般

8、与计算结构不发生直接联系。当前意义的可