可重构计算的基本概念

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1、ReconfigurableComputingLecture1:Introduction周学海2006年春Agenda可重构计算的基本概念应用领域研究领域课程安排什么是可重构计算冯·诺依曼计算机（VonNeumannComputer）面向特定应用领域的专用计算机（Domainspecificprocessors)面向特定应用的专用计算机(ApplicationSpecificProcessors)可重构设备与可重构计算(Reconfigurabledevice&Reconfigurablecomputing)冯·诺

2、依曼计算机-1基本原理:1945年,数学家冯·诺依曼在ENIAC研制的过程中,研究计算问题提出冯·诺依曼结构的计算机模型简单的结构可执行任何类型的程序存在一个由程序控制的控制部件不需要对硬件作任何修改冯·诺依曼计算机-2基本结构冯·诺依曼计算机-3编码程序是由一组按顺序执行的指令组成程序执行取指(IF):从存储器取下一条要执行的指令译码(ID):确定是什么操作读操作数(RO):从存储器中读操作数执行(EX):由ALU部件完成实际的操作结果写回(WR):计算结果写回到存储器程序执行的过程就是周期性的IF-ID-RO-

3、EX-WR的过程冯·诺依曼计算机-4优点：适应性好，任何类型的程序都可以在该类机器上运行。缺点速度：性能较差，串行程序执行模型资源利用率：执行一条指令时，只有部分器件处于工作状态，其它部件处于空闲状态存储器访问：存储器的速度与处理器的速度有数量级的差别改进办法：流水线技术、Cache技术、提高主频以及指令预取等面向特定领域的专用处理器目标：克服冯·诺依曼体系结构的弱点，针对某一类应用优化数据通路例如DSP（DigitalSignalProcessors)数字信号处理应用涉及大量的矩阵运算，大量使用MAC(乘加指令)

4、使得在一个时钟周期内完成一个或多个乘加运算取指和译码重叠指令和数据分开存储，存储器访问限定在对输入流的直接处理上DSPs高效地完成周期性的数值计算任务在一个指令周期内完成一个或多个乘加运算多次存储器访问有效支持特定的循环操作硬件多个MAC部件多端口的片上或片外存储器组织多条片上总线地址产生部件仅支持DSP应用中的若干寻址方式面向特定应用的专用处理器针对特定的应用优化整个电路ASIC:ApplicationSpecificIntegratedCircuit通过在片上实现内在的并行结构来优化性能数据通路仅针对特定的应用

5、省略了取指令和指令译码的动作存储器访问仅限定在对输入流的操作上挖掘其内在的并行性例如：ASIC举例在VN结构上的实现If(a

6、是VN结构的通用性与ASICs的高效性的结合理想的设备应该能够在给定的时间内针对一个应用优化,同时应该能够适应新的应用我们称这类设备为可重构设备可重构计算可以定义为涉及可重构设备的计算问题,包括结构,算法和应用适应性和效率的比较应用领域快速原型后期制作定制自适应计算机系统容错高性能并行计算……快速原型在制作硬件之前进行实际测试软件模拟相对便宜,但速度较慢,精度难以保证硬件仿真:在实际条件下的硬件测试,速度较快,精度较好,也允许多次重复定型后的定制缩短推向市场的时间首先将第一版推向市场可以远程升级远程维护自适应计算机

7、系统该计算系统的行为和结构可适应操作和环境变化,在不同的时间段内优化的目标,物理约束(如协议采用新的标准)不同,或动态改变了系统的操作条件.JürgenTeich动态适应环境具有扩展功能的能力容错TheRecoNetproject在通信线路上，面向信息包的错误检测检测出错节点在节点出错时,进行任务迁移计算任务负载平衡高性能并行计算传统的并行计算实现流程采用可重构计算方法实现的并行计算-可重构的拓扑结构主要问题软硬件功能划分硬件方面：可重构计算系统硬件体系结构可重构硬件设备的制造和生产算法硬件化软件方面如何管理和调度

8、这些硬件资源编译技术操作系统技术自动化设计工具Application-〉RC系统可重构计算体系结构早期的工作GeraldEstrinFix-PlusMachineTheRammigMachine可编程逻辑FPGACPLDPLDGeraldEstrinFix-PlusMachine可重构计算机系统的远景目标对实际问题的研究表明：当我们针对具体的计算任务，在可变