可重構(gòu)計算：高效靈活的計算技術(shù)

運行時可重構(gòu)技術(shù)研究的深入和成熟還能夠促進其他相關(guān)領(lǐng)域的計算技術(shù)得到長足進展，例如進化硬件和系統(tǒng)容錯技術(shù)等。但在當(dāng)前，運行時可重構(gòu)技術(shù)還面臨著一些關(guān)鍵問題亟待解決：

可重構(gòu)邏輯器件的支持。可重構(gòu)計算技術(shù)的發(fā)展對可重構(gòu)邏輯器件有著很強的依賴性。當(dāng)前的器件功能和性能都有了很大提升，已經(jīng)能夠?qū)\行時可重構(gòu)技術(shù)提供相關(guān)支持。例如，運行時可重構(gòu)計算技術(shù)需要能夠在不影響任務(wù)正常執(zhí)行的情況下，對器件的空閑資源進行配置。相應(yīng)的，當(dāng)前的商業(yè)可重構(gòu)邏輯器件能夠提供部分重構(gòu)（partial-reconfiguration）的能力。但是現(xiàn)在存在的最大問題在于器件配置過程耗費的時間比較長。隨著芯片上的可重構(gòu)邏輯資源數(shù)量越來越多，相應(yīng)的配置文件規(guī)模也越來越大，配置過程需要毫秒量級的時間，但是可重構(gòu)邏輯器件上的應(yīng)用是以微/納秒量級的時間在執(zhí)行，因此配置過程成為了整個系統(tǒng)的瓶頸。經(jīng)常會發(fā)生應(yīng)用執(zhí)行到一半，但后續(xù)功能還沒有配置好的情況。這時候應(yīng)用的執(zhí)行可能會使用到錯誤的配置，因此它必須等待，這極大地降低了系統(tǒng)性能。還有一種可重構(gòu)邏輯器件能夠為運行時可重構(gòu)技術(shù)提供支持，它被稱做多上下文（multi-context）器件。這種器件的特點在于，它將器件的多個配置文件存儲在芯片上，當(dāng)需要發(fā)生功能切換時，能夠在單周期內(nèi)完成器件的配置。但是這種器件技術(shù)目前尚未成熟。

軟/硬件任務(wù)的劃分。在可重構(gòu)計算系統(tǒng)中，存在著可重構(gòu)邏輯器件和通用處理器兩大部分。如何使一個應(yīng)用高效運行在可重構(gòu)計算系統(tǒng)上，首先就需要對應(yīng)用進行任務(wù)劃分，將軟/硬件任務(wù)分別映射到通用處理器和可重構(gòu)邏輯器件上執(zhí)行。在任務(wù)的劃分中，要充分考慮到任務(wù)執(zhí)行的特征，把那些負擔(dān)繁重并且性能要求高的計算任務(wù)劃分為硬件任務(wù)，同時把那些不適合用硬件加速執(zhí)行的任務(wù)和對硬件資源進行管理的任務(wù)劃分為軟件任務(wù)。軟/硬件任務(wù)間的通信是一個需要重點思考的問題。當(dāng)前的很多可重構(gòu)計算系統(tǒng)采用的都是軟/硬件任務(wù)非并行執(zhí)行的方式。當(dāng)軟件任務(wù)執(zhí)行到某個點的時候，會將應(yīng)用執(zhí)行的控制權(quán)交給可重構(gòu)邏輯器件，然后軟件任務(wù)會一直等待可重構(gòu)邏輯器件將計算結(jié)果和控制權(quán)返回給通用處理器再繼續(xù)執(zhí)行。這無疑降低了系統(tǒng)的性能。更先進的做法是軟件任務(wù)可以和硬件任務(wù)并行執(zhí)行，兩者間以中斷或者其他方式互相通告狀態(tài)和傳遞數(shù)據(jù)。但是這么做會引入數(shù)據(jù)一致性、任務(wù)間同步等問題，加大了系統(tǒng)管理的難度。軟/硬件任務(wù)的劃分一直以來都是在嵌入式系統(tǒng)研究中的難點，它的好壞直接影響到了應(yīng)用的執(zhí)行性能，但至今還是缺乏成熟的算法支持。

任務(wù)調(diào)度的支持。任務(wù)調(diào)度是傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。在運行時可重構(gòu)計算系統(tǒng)中，調(diào)度算法的好壞也直接影響到系統(tǒng)性能的高低。特別是針對大規(guī)模應(yīng)用中的硬件任務(wù)不能夠一次性地配置到器件上的情況，任務(wù)調(diào)度顯得尤其重要。任務(wù)調(diào)度主要有兩個目的：一個是優(yōu)化器件的配置序列，另一個是充分利用器件上的資源。任務(wù)調(diào)度器應(yīng)該盡可能地將要同時執(zhí)行或者先后執(zhí)行次序比較緊密的任務(wù)一次性地調(diào)度到器件上，同時在將任務(wù)調(diào)出器件的時候也要考慮到任務(wù)是否會在后續(xù)執(zhí)行中又被使用到。調(diào)度器對配置序列進行優(yōu)化，能夠減少配置過程帶來的時間開銷，減輕配置時間太長給系統(tǒng)帶來的瓶頸影響。器件上的資源是非常寶貴的，在任務(wù)繁重的時候應(yīng)該保證有盡可能多的資源加入到計算當(dāng)中。而且在對器件進行部分配置的時候，也要重點考慮將那些當(dāng)前空閑的資源配置為新的功能，以減少后面可能會導(dǎo)致的“抖動”（器件上的現(xiàn)有功能被新的配置覆蓋后，應(yīng)用執(zhí)行過程又需要該功能時只能再次將該功能重新配置到器件上）。另外，如果應(yīng)用對于能耗要求較高，任務(wù)調(diào)度還需要注意到器件上各個時鐘域里的資源利用情況，可以將功能集中實現(xiàn)在某一區(qū)域以達到降低能耗的目的。在后續(xù)的運行時可重構(gòu)技術(shù)的研究探索中，還有可能涉及到軟/硬件任務(wù)遷移（migration）的情況，這就對調(diào)度器提出了更高的要求。

未來方向

上述是當(dāng)前的運行時可重構(gòu)計算技術(shù)研究中需要解決的幾個關(guān)鍵問題，國內(nèi)外已經(jīng)有很多的機構(gòu)都在潛心研究，希望能有所突破。雖然目前可重構(gòu)計算技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但是為了能夠?qū)⑺鼞?yīng)用到更廣闊的空間，還需要做更多的工作。

并行的可重構(gòu)計算系統(tǒng)架構(gòu)。雖然可重構(gòu)計算系統(tǒng)有著較高性能和極強的靈活性，但在很多應(yīng)用場合中，還是會碰到一些問題。首先還是器件問題。相對于通用處理器，當(dāng)前的主流可重構(gòu)邏輯器件的頻率仍舊較低，這就對進一步加快應(yīng)用執(zhí)行性能產(chǎn)生了阻礙。其次，可重構(gòu)計算系統(tǒng)不能很好地處理大型應(yīng)用。因為系統(tǒng)處理能力和資源數(shù)量的約束，可重構(gòu)計算系統(tǒng)對于大型應(yīng)用的實現(xiàn)還存在著很多問題。最后是應(yīng)用領(lǐng)域的獨特需求。目前在很多可重構(gòu)計算系統(tǒng)適用的應(yīng)用領(lǐng)域中，如穿戴計算、汽車電子等，系統(tǒng)分布化已經(jīng)成為了趨勢，可重構(gòu)計算系統(tǒng)務(wù)必要能夠滿足應(yīng)用需求?；谝陨蠋c，開發(fā)并行的可重構(gòu)計算系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)成為今后必然的趨勢。并行的可重構(gòu)計算系統(tǒng)中包含有多個可重構(gòu)計算系統(tǒng)，它們彼此間以可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)相連接。并行可重構(gòu)計算系統(tǒng)中存在著三個層次上的并行：第一是單個系統(tǒng)中可重構(gòu)邏輯器件上的多個硬件任務(wù)間的并行；第二是單個系統(tǒng)中通用處理器上的軟件任務(wù)和可重構(gòu)邏輯器件上的硬件任務(wù)間的并行；第三是各個系統(tǒng)間軟/硬件任務(wù)的并行。并行可重構(gòu)計算系統(tǒng)中還存在著兩個層次上的重構(gòu)：一個是單個系統(tǒng)內(nèi)部的器件重構(gòu)，另一個是各個系統(tǒng)間的互連重構(gòu)。并行可重構(gòu)計算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的分布式并行系統(tǒng)復(fù)雜很多，給系統(tǒng)管理和應(yīng)用帶來了很多新的難題。

統(tǒng)一的應(yīng)用開發(fā)模型。當(dāng)前可重構(gòu)計算系統(tǒng)沒有被廣泛應(yīng)用，還有一個很重要的因素就是現(xiàn)在的可重構(gòu)計算系統(tǒng)并沒有提供給應(yīng)用開發(fā)者統(tǒng)一的應(yīng)用開發(fā)模型。因為可重構(gòu)計算系統(tǒng)中有軟件任務(wù)和硬件任務(wù)的區(qū)分，而在應(yīng)用開發(fā)者中占絕大多數(shù)的軟件程序員們?nèi)狈τ布脚_的理解和編寫硬件任務(wù)的能力。同時，軟件程序員和硬件設(shè)計者之間的溝通又往往不夠充分。這些都導(dǎo)致了應(yīng)用開發(fā)者利用可重構(gòu)計算技術(shù)時的困難重重。又因為目前可以構(gòu)成可重構(gòu)計算系統(tǒng)的硬件資源門類繁多，在一個系統(tǒng)上開發(fā)的應(yīng)用缺乏良好的移植性，所以沒有一個很好的方法能夠幫助開發(fā)者們快速高效地開發(fā)應(yīng)用。基于以上兩點，現(xiàn)在需要做的是將可重構(gòu)計算系統(tǒng)的底層實現(xiàn)對應(yīng)用開發(fā)者透明化，通過提供給應(yīng)用開發(fā)者們統(tǒng)一的應(yīng)用開發(fā)模型，使他們能夠按照慣常的開發(fā)流程進行可重構(gòu)計算系統(tǒng)上的應(yīng)用開發(fā)。他們編寫的代碼具有一定的可移植性，經(jīng)過可重構(gòu)系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境處理后，可以直接在相應(yīng)的可重構(gòu)計算系統(tǒng)上運行。這個“統(tǒng)一化”的過程是復(fù)雜和困難的，但是如果希望可重構(gòu)計算技術(shù)能夠深入人心，讓廣大應(yīng)用開發(fā)者認可并使用可重構(gòu)計算技術(shù)，那么這個過程就是必需的。

可重構(gòu)計算技術(shù)是一項新興的能夠有效提高系統(tǒng)計算能力的技術(shù)。它的誕生是為了滿足人們對計算性能永無窮盡的需求，在很多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，可重構(gòu)計算技術(shù)的研究尚處于初級階段，還有很多技術(shù)難題沒有得到圓滿解決。但是在可以預(yù)見的將來，伴隨著可重構(gòu)邏輯器件技術(shù)的不斷進步，可重構(gòu)計算技術(shù)一定能夠在更多的場合被應(yīng)用，發(fā)揮出更多的效用。