基于xilinx+virtex-ⅱ+pro的过程级动态部分可重构系统设计与实现

《基于xilinx+virtex-ⅱ+pro的过程级动态部分可重构系统设计与实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、硕士学位论文第重章绪论当前，传统计算模式的实现方式主要有众SlC和通用处理器两种。ASlC主要特点是由于为特定计算任务专门设计，因此能做到设计精确，可得到极高的运算速度及效率，设计电路的约束基本上是在物理层次的实现上，但其最大缺陷是在完成制造以后不能进行修改，一量遇到不同的工作环境，就需要对ASlC重新设计，往往导致ASlC的设计成本离，灵活性差。通用处理器则恰烩相反，一般拥有一套属于自己的指令集。在执行任务之前都是将任务抽象为指令集，选择其中的指令依某种算法构成一个新的指令序列，就成了完成特定计算任务的软件，也就是通过用编程语言来实现不同的功能。这样逶过修改软件便可达

2、到改变系统功能的露的，对硬件无霈做任何改动。虽然通用处理器拥有很高的灵活性，但是它的可编程性是以牺牲系统的性能和速度为代价换来的，常常导致执行效率低下，这是因为微处理在运算时，按预先设定好的指令序列逐条执行，而每条指令的执行一般都要经过“读取指令一译码一执行一存储一写回’’五个步骤，这不仅增加了系统处理的时闻，也使系统的复杂性增加。从上述的简要分析可以获知，当前主流计算模式的实现存在的主要问题是：处理器计算模式能够灵活地实现各种计算任务，但是在性能上存在缺陷；ASIC计算模式虽然性能较高，却不能够灵活地应对计算任务的改变。为了有效地解决计算效率和灵活性两者的权衡问题，蠢

3、从上个世纪九十年代末至今，可重构计算技术逐渐成为研究的热点。l，l一可重梅计算技术概述l。1．1可重构计算技术定义可重构计算技术是指数字系统制造完成以后，其硬件结构可以根据需要重新配置的技术，简单的说就是利用现场可编程门阵列FPGA来实现特殊功能的计算任务【l】。早在20世纪60年代末，美国加利福尼亚大学的GeraidEstrin就提出了重构计算的概念，并研制了原型系统。该系统由毒#柔性但霹编程的处理器和柔性的由程序控制重构的数字逻辑部件两部分组成。该系统其硬件和软件尽管抽象层次不高但均可编程重构。由于当时实现技术尚不完善，故Estrin研制的系统只是其理论设计的粗略近

4、似。但这种结构奠定了以后可重构计算系统的核心基础弘】。西前，能够被广泛接受的定义是由加州大学德克利分校的AndfeDehon和两hWawrzynek提出的，他们通过与其它计算系统的组织结构比较的基础上，在广义基于Ⅵrtex一ⅡPro系列FPGA动态部分可重构系统设计与实现上给出了可重构计算系统应该具有的两个关键特点【3】：1)能够在硬件器件制造后针对计算任务进行定制；2)能够为计算任务提供大量的可以定制的执行空间。这两个关键特点能有效的弥补传统的ASIC模式不具备制造后可改动的能力以及通用处理器模式不能够为操作提供专用数据通路的缺陷，阐明了可重构计算系统必须同时具备灵活

5、性和高效性等特征。同时，KatherineCompton和ScottHauck对当前研究的主流可重构计算系统进行了更具体的定义：可重构计算系统是结合了硬件编程能力的系统。其中，硬件编程是指通过改变一系列物理控制点的方式对硬件应该如何工作进行定制；控制点的改变将导致硬件的执行功效发生相应的改变【4】【51。1．1．2可重构计算体系结构可重构计算系统的一种体系结构是由一个或者多个微处理器与其它一些专用处理模块一起集成到可重构逻辑模块里面；专用处理模块通过共享总线或者一些特殊的内部网络连接和微处理器核通信；微处理器和专用处理模块可能用到一些片上内存作为局部缓存；另外，由于可编

6、程逻辑器件能够支持动态的重构，那么上述专用处理模块能够被动态的改变，所以需要相应的控制和管理组件来处理动态添加或删除的专用处理模块，以及重构之后内部的通信等问题。这种紧密耦合的体系结构图如图1．1中所示，其中专用硬件模块可以是IP核，也可以是自行设计的硬件模块，用虚线框表示说明专用处理模块可动态改变。图1．1系统结构图1．1．3可重构计算技术应用尽管可重构计算的概念早在70年代就己经提出，但由于没有理想的硬件条件，这方面的研究没有取得很大突破。90年代以来，随着大规模集成电路的迅速发展，可编程逻辑器件的出现为可重构计算的研究提供了条件，陆续实现了一些可重构计算的应用系统

7、。在各FPGA制造商相继推出的一系列支持部分重构的FPGA器件中，早期的FPGA结构中只包含少量的逻辑块，通常是由细粒度的可编程逻辑块通过走线和2硕士学位论文可编程开关相连而组成的。但随着现代工艺的进步，现在的FPGA集成度得到了明显的提高，甚至达到了数百万门的单片FPGA芯片的新水平。这些技术的高速发展为以前只是用于实现简单的逻辑功能和原形系统设计的可重构逻辑器件能够逐步占领计算系统的核心地位提供了基本支持。可重构计算利用了可编程器件可多次重复配置逻辑状态的特性，能以较少的硬件资源实现较复杂的逻辑电路功能，在提高系统执行速度的同时又显著