一种支持opencl的异构多核可重构片上系统硬件架构研究与设计

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1、分类号TN47学校代码10590UDC621.3密级公开深圳大学硕士学位论文一种支持OpenCL的异构多核可重构片上系统硬件架构研究与设计边育心学位类别工程硕士专业名称集成电路工程学院（系、所）信息工程学院指导教师朱明程教授徐渊讲师一种支持OpenCL的异构多核可重构片上系统硬件架构研究与设计摘要过去半个世纪以来，摩尔定律为半导体工业的发展提供了清晰的方向指南，即通过减少CMOS电路的特征尺寸来提升其性能。现有CMOS数字集成电路工艺受物理条件制约，其特征尺寸不可能无限制的缩小；受动态功耗影响，CPU的工作频率不能无限

2、制上升。因此，CPU的性能不可能无限制的通过减小特征尺寸、提升CPU主频来提升。CPU的性能与能量效率需要通过新的材料、新架构、新器件获得进一步的提升。针对这一问题，本文着力于新架构的开发。目前常用于硬件加速的器件有GPGPU（通用图像处理器），FPGA（现场可编程门阵列）等。现有GPGPU其编程模型多与硬件绑定，通用性与可移植性差，并无法扩展到异构系统中去，且其功耗较高，能量效率低于FPGA。FPGA以其可重构特性有更高的性能与能量效率，但开发难度大，周期长，应用开发人员难以有效利用。针对这一问题，本文提出了基于FP

3、GA器件，结合FPGA的硬件可编程特点，融合OpenCL异构计算标准的HOCR-MPSOC（异构OpenCL可重构多核片上系统）架构设计。HOCR-MPSOC使用Microblaze处理器作为主机，通过AXI4总线进行全局互联，连接OpenCL从设备与外设驱动IP。每个OpenCL从设备被称为计算单元。HOCR-MPSOC架构采用OpenRisc1200作为运算元素，通过Wishbone总线进行计算单元内部互联，通过AXI4-Wishbone总线的桥接将整个计算单元挂载到主机及其全局总线的系统中。异构系统的优势是通过组

4、织不同特点的核心来优化处理器内部结构，针对不同任务，通过主控制器调度各具特长的核心共同完成任务，实现处理器核心资源的最优配置从而达到最大的性能。HOCR-MPSOC的特色在于将支持OpenCL异构标准的异构系统集成到一颗SOPC内，使该异构系统具备硬件可编程与可重构特性，可以大幅提升系统的能量效率与性能；通过设计支持高级编程语言的OpenCL计算单元，可以降低该系统的应用开发难度，有利于软件应用的开发。整体架构预留硬件扩展接口，以便面向特殊应用的异构计算单元开发与接入，进一步提高系统的整体性能与能效。在实验分析中，本文

5、采用了I3-2330处理器，HOCR-MPSOC，定制IP三种方式完成256点FFT算法，通过比较其执行时间、功耗、消耗能量三个指标，衡量其运算性I一种支持OpenCL的异构多核可重构片上系统硬件架构研究与设计能、能量效率，并做出分析，其结果也符合国内外现有研究成果的预期。基于以上的设计与实验，规划出HOCR-MPSOC的后续硬件与软件发展路线。本课题来源于深圳市2015年基础研究项目《面向大数据中心的可重构异构计算平台核心技术研究》，项目编号：JCYJ20150324141711595。关键词：异构计算；FPGA；O

6、penCL；OpenRisc；MPSoCIITheResearchandStdutyoftheHardwareArchitectureofAReconfigurableHeterogeneousMulti-processorSystemonChipAbstractInthepasthalfacentury,Moore'slawprovidesacleardirectionforthedevelopmentofsemiconductorindustry.Namely,reducingthefeaturesizeofCMO

7、Scircuitimprovesitsperformance.Limittedbythephysicalcondition,thefeaturesizeoftheexistingCMOSdigitalintegratedcircuittechnologycannotbeunlimitedlyshrinked.Inaddition,thefrequencyoftheCPUcannotbeunlimitedlyrisedbecauseofthedynamicpowerconsumption.Asaresult,theper

8、formanceoftheCPUcannotbeimprovedbyshrinkingthefeaturesizesandrisingthefrequencywithoutlimitation.CPUperformanceandenergyefficiencyshouldbeimprovedthroughthenewmateria