可重構(gòu)計(jì)算：高效靈活的計(jì)算技術(shù)

當(dāng)前在研的可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)往往由一個(gè)或多個(gè)可重構(gòu)邏輯器件以協(xié)處理器的方式和一個(gè)通用處理器耦合而成，如圖2所示。這里的可重構(gòu)邏輯器件可以是系統(tǒng)定制的，也可以是商業(yè)化的部件（如FPGA芯片）。對(duì)可重構(gòu)邏輯器件進(jìn)行的配置可以使它實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，能夠以準(zhǔn)ASIC的計(jì)算速度對(duì)應(yīng)用中的計(jì)算密集部分給予加速執(zhí)行以提高整個(gè)應(yīng)用的執(zhí)行性能。系統(tǒng)中的通用處理器主要負(fù)責(zé)對(duì)可重構(gòu)邏輯器件進(jìn)行資源管理和任務(wù)調(diào)度。另外，應(yīng)用中存在的那些不能夠采用硬件邏輯實(shí)現(xiàn)或者采用硬件實(shí)現(xiàn)也不會(huì)帶來(lái)很大性能收益的部分也需要在通用處理器上編程實(shí)現(xiàn)，例如遞歸操作。因?yàn)槊恳粚舆f歸都需要使用相同的資源，而遞歸的層數(shù)又往往不能預(yù)先知道，硬件無(wú)法預(yù)留夠充足的資源，所以此類操作適合在通用處理器上實(shí)現(xiàn)。

可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的研究對(duì)可重構(gòu)邏輯器件的開(kāi)發(fā)有著極強(qiáng)的依賴性。正是由于可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中使用了可編程邏輯器件，才使得它能夠高效靈活地實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用。在研究的早期，研究者們受到可重構(gòu)邏輯器件的限制，并不能開(kāi)展很多卓有成效的工作。因?yàn)槿狈y(tǒng)一的可重構(gòu)硬件平臺(tái)，一些研究機(jī)構(gòu)針對(duì)某些特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)了自己相應(yīng)的可重構(gòu)邏輯器件。這些器件缺乏一致的模型，彼此間不兼容，不具有普適性。而專門的可重構(gòu)邏輯器件開(kāi)發(fā)帶來(lái)的高昂代價(jià)也給可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的普及設(shè)置了巨大的障礙。伴隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成在芯片上的門電路數(shù)目可以做到“數(shù)以百萬(wàn)計(jì)”，這使得業(yè)界能夠設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大結(jié)構(gòu)復(fù)雜的可重構(gòu)邏輯器件，也昭示著可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)迎來(lái)了發(fā)展的大好時(shí)機(jī)。當(dāng)前的很多商業(yè)化可重構(gòu)邏輯器件具備有充足的可編程邏輯資源，有的芯片上還集成了乘法器、RAM等結(jié)構(gòu)，在最近的高端產(chǎn)品上更是集成了處理器核來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和性能。

當(dāng)前，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的研究焦點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)特別是運(yùn)行時(shí)（run-time）可重構(gòu)技術(shù)。所謂動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)，是相對(duì)于靜態(tài)可重構(gòu)技術(shù)而言的。靜態(tài)可重構(gòu)技術(shù)是指在可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，一次性將可重構(gòu)邏輯器件配置為系統(tǒng)所需的某個(gè)或幾個(gè)功能。這些配置好的功能在整個(gè)任務(wù)執(zhí)行期間不會(huì)被改變。直到系統(tǒng)完成該任務(wù)后，可重構(gòu)邏輯器件才可以被配置為其他的功能去完成別的任務(wù)。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)與此相反，在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中可重構(gòu)邏輯器件的功能可以被隨時(shí)改變。

運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)技術(shù)建立在動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，它能夠在器件上已有任務(wù)正常執(zhí)行的同時(shí)對(duì)器件的空閑資源進(jìn)行新的配置。運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)技術(shù)可以根據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)中的實(shí)際需求，對(duì)可重構(gòu)邏輯器件上的資源做相應(yīng)的調(diào)配。它能夠更充分地利用可重構(gòu)邏輯器件上的資源，并且使硬件去“適應(yīng)”應(yīng)用的需求做調(diào)整成為可能。運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的研究還存在很多技術(shù)難點(diǎn)，有的已經(jīng)造成了當(dāng)前可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景

可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)除了具有較高的性能和較大的靈活性以外，還具有很多其他優(yōu)勢(shì)，例如系統(tǒng)能耗低、可靠性高等等。這些優(yōu)勢(shì)使得可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域特別是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

在過(guò)去的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，很多嵌入式應(yīng)用，例如多媒體應(yīng)用、加/解密應(yīng)用以及通信應(yīng)用等都具有它們固有的執(zhí)行特征。

多媒體應(yīng)用具有較多的整數(shù)算術(shù)指令，這主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)多媒體應(yīng)用中執(zhí)行的都是定點(diǎn)數(shù)據(jù)上的算術(shù)密集型信號(hào)處理操作。

加/解密應(yīng)用中主要是位運(yùn)算操作，而且在執(zhí)行過(guò)程中極少出現(xiàn)分支指令，位運(yùn)算操作可以通過(guò)移位操作和邏輯運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。