可重構(gòu)計(jì)算：高效靈活的計(jì)算技術(shù)

作者：時(shí)間：2010-08-18 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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通信應(yīng)用的特征是使用大量的分支指令，這主要是由通信應(yīng)用中復(fù)雜的控制流導(dǎo)致的，但其中較少使用到算術(shù)和移位等操作。

可以看到，這幾類(lèi)應(yīng)用都是屬于計(jì)算密集型應(yīng)用，可以利用硬件加速計(jì)算核心的執(zhí)行來(lái)提高整個(gè)應(yīng)用的性能。應(yīng)用中較少使用到浮點(diǎn)算術(shù)操作，這一點(diǎn)也正好適合利用硬件實(shí)現(xiàn)。在多媒體和通信應(yīng)用中，大量的操作都是針對(duì)寬度為一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的，而在加/解密應(yīng)用中主要處理的是寬度為1的位數(shù)據(jù)。針對(duì)應(yīng)用中的這些差異，當(dāng)前的商業(yè)化可重構(gòu)邏輯器件中提供了大量的不同粒度的資源來(lái)支持不同數(shù)據(jù)寬度的計(jì)算。因此，上述在嵌入式領(lǐng)域中的主流應(yīng)用都非常適合利用可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)具有很好的低能耗特征。在傳統(tǒng)的處理器計(jì)算模式中，大量的能耗耗費(fèi)在指令的取指、譯碼過(guò)程中；IC模式則因?yàn)樵谟布娐返脑O(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行充分優(yōu)化，具有較低的能耗損失。在可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中，能耗最高的計(jì)算核心部分轉(zhuǎn)移到了可重構(gòu)邏輯器件上執(zhí)行，減輕了通用處理器的負(fù)擔(dān)，減少了相關(guān)的能耗。當(dāng)應(yīng)用在可重構(gòu)邏輯器件上執(zhí)行時(shí)，可重構(gòu)邏輯器件還可以利用自己的器件特性做調(diào)整來(lái)達(dá)到減少系統(tǒng)能耗的目的。例如，在現(xiàn)有的商業(yè)化可重構(gòu)邏輯器件中，芯片上同時(shí)存在著多個(gè)時(shí)鐘域，不同的時(shí)鐘域可以具有各自的時(shí)鐘頻率?？芍貥?gòu)邏輯器件能夠?yàn)樾酒嫌糜趫?zhí)行應(yīng)用的那部分資源提供高的時(shí)鐘頻率以提高性能，同時(shí)可以將其他閑置部分的時(shí)鐘頻率降低以降低能耗，甚至有的器件可以利用門(mén)控時(shí)鐘對(duì)芯片上沒(méi)有在執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的部分給予斷電處理，進(jìn)一步降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗損失。

可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)還具有天生的容錯(cuò)（fault-tolerant）特性。因?yàn)榭芍貥?gòu)邏輯器件的可重構(gòu)特性為錯(cuò)誤的檢測(cè)、診斷提供了方便。同時(shí)，可重構(gòu)邏輯器件擁有大量的可重構(gòu)邏輯資源，又為錯(cuò)誤的掩蓋、修復(fù)提供了基礎(chǔ)。當(dāng)可重構(gòu)邏輯器件上出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致系統(tǒng)故障的時(shí)候，可以將可重構(gòu)邏輯器件上的一部分配置為測(cè)試模式發(fā)生器，對(duì)器件上的某些區(qū)域做測(cè)試，同時(shí)還可以利用器件上的其他資源對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，以得到具體的錯(cuò)誤信息。一旦將錯(cuò)誤定位后，可以采用對(duì)可重構(gòu)邏輯器件重新配置的方法，避開(kāi)產(chǎn)生錯(cuò)誤的芯片區(qū)域，利用其周邊的其他可重構(gòu)邏輯資源組合替代原本在出錯(cuò)區(qū)域上實(shí)現(xiàn)的功能?？芍貥?gòu)計(jì)算系統(tǒng)的高容錯(cuò)性和極強(qiáng)的可靠性滿(mǎn)足了惡劣的工作環(huán)境對(duì)計(jì)算系統(tǒng)的苛刻要求，因此當(dāng)前在航空航天軍事等領(lǐng)域?qū)芍貥?gòu)計(jì)算系統(tǒng)的需求逐漸增大，例如NASA就已經(jīng)將運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用列入了2005年的火星探測(cè)計(jì)劃當(dāng)中。

可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)大大縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間?？芍貥?gòu)邏輯器件在很長(zhǎng)一段時(shí)間里主要用于進(jìn)行硬件系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)在當(dāng)前新的應(yīng)用需求下有了進(jìn)一步發(fā)展。利用可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的原型系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)針對(duì)不同應(yīng)用的不同配置后就成為了相應(yīng)的產(chǎn)品可以直接投放市場(chǎng)，這消除了需要針對(duì)各個(gè)應(yīng)用進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)帶來(lái)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)減少了設(shè)計(jì)中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率，系統(tǒng)的可靠性也得到了提高。另外，當(dāng)前的很多應(yīng)用領(lǐng)域瞬息萬(wàn)變，各種新標(biāo)準(zhǔn)新應(yīng)用層出不窮。在這種情況下，可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)能夠“以不變應(yīng)萬(wàn)變”，仍舊利用現(xiàn)有資源，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)功能以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

在一些關(guān)鍵任務(wù)執(zhí)行中，很多任務(wù)要到開(kāi)始前一刻才能最終確定，可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的存在無(wú)疑為這類(lèi)應(yīng)用也提供了有力的支持。仍舊以NASA為例，他們?cè)诤教祜w機(jī)發(fā)射前的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，才會(huì)把當(dāng)前的一些重要信息配置到機(jī)上的可重構(gòu)邏輯器件中。在火星車(chē)的設(shè)計(jì)中，也在大量關(guān)鍵部件上使用了可重構(gòu)邏輯器件，以滿(mǎn)足系統(tǒng)可能的變動(dòng)要求。

可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)還有很多優(yōu)勢(shì)。例如，相對(duì)于傳統(tǒng)的一個(gè)平臺(tái)支持一個(gè)應(yīng)用的做法，可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中的同一套硬件設(shè)備可以支持多個(gè)應(yīng)用，大大減輕了系統(tǒng)重量，這對(duì)于那些對(duì)重量有著嚴(yán)格要求的應(yīng)用領(lǐng)域非常有利。比如，嵌入式領(lǐng)域的“穿戴計(jì)算”，還有航天領(lǐng)域里的衛(wèi)星系統(tǒng)等等。

當(dāng)前的可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)主要還是用于尖端技術(shù)領(lǐng)域中的計(jì)算平臺(tái)，但隨著可重構(gòu)邏輯器件成本逐漸降低，運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)不斷完善，我們有理由相信可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)具備的種種優(yōu)勢(shì)會(huì)使其在更多的領(lǐng)域里大有作為。

面臨的關(guān)鍵難題

前文已經(jīng)提到，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的研究焦點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)技術(shù)。對(duì)運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)技術(shù)的研究和應(yīng)用主要是為了解決在下述兩種情況下可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。

第一種情況是為了減少應(yīng)用執(zhí)行的啟動(dòng)時(shí)間。可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)可以先在器件上配置好應(yīng)用執(zhí)行的啟動(dòng)所必需的功能，讓?xiě)?yīng)用運(yùn)行起來(lái)。在應(yīng)用開(kāi)始執(zhí)行的同時(shí)再在器件的其他部分上配置出后續(xù)執(zhí)行所需要的功能，而不必等待整個(gè)應(yīng)用都配置完成后才開(kāi)始運(yùn)行，如圖3所示。

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