可重构计算机体系结构

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2001.04.027 第23卷第4期 北京科技大学学报 Vol.23 No.4 2001年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2001 可重构计算机体系结构 王昭顺王沁 曲英杰 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要介绍可重构的概念、可重构计算系统的基本结构、技术基础和技术关键；提出可重构 计算机设计中存在的问题与解决方案. 关键词可重构；可重构计算系统；可重构计算系统结构 分类号TP303 1可重构的概念 殊的计算支持，以实现大计算量指令和子程序 的执行.这种提高通用计算机性能的重构方法 可重构是在软件的控制下，利用可重用资 称为指令级可重构. 源，重构或重组成另一个计算平台，以适应不同 (4)芯片级可重构：在多处理器互连的基础 的应用需求，.具有可重构特征的计算系统称为 上，使处理器位数可变、处理器个数可变或处理 可重构计算系统 器间互连可变的计算机结构，称为芯片级可重 重构与重组是可重构计算系统改变其功能 构或结构级可重构， 的2种方式).重构是指新计算系统的功能部 件，在旧的计算系统中不存在，利用旧计算系统 2可重构计算的系统结构 的可重用资源重新构造生成.重组是指新计算 系统的功能部件，在旧的计算系统中存在，通过 可重构计算系统一般采用标准处理器单元 重新组合形成新的计算结构. 与可重构阵列紧密耦合的设计方法，其基本的 可重构的基础是可重用资源.在FPGA出 系统结构如图1所示网 现之前，可重构计算机系统采用重组的方式，其 存储器 重用资源是功能部件；FPGA出现之后，使重构 方式成为可能，其重用资源是基本门和线，通过 指令Cache 数据Cache 配置文件，定义每个门的性质和线的连接，改变 硬件的功能。 可重构的目的是为解决硬件结构与应用不 标准处理器 可重构阵列 匹配.按解决问题的层次不同，可将可重构分为 4类0： 图1可重构计算系统的蓄本结构 (1)门级可重构.从基本门级入手重构计算 Fig.1 Basic structure of reconfigurable computation system 系统.即将功能部件的逻辑用FPGA实现，当应 可重构阵列可以访问标准处理器单元的高 用算法改变时，通过改变FPGA的配置来改变 速缓存，但可重构阵列可以与标准处理器单元 其功能.这种重构也称为电路级可重构. 独立执行（指令来自于缓存），也可以在标准处 (②)部件级可重构.早期的重构从功能部件 理器单元的控制下执行（指令来自于标准处理 入手，通过对功能部件的重新组合来适应不同 器).可重构计算的技术基础是可重构阵列.可 的计算需求 重构阵列结构如图2所示. (3)指令级可重构.在标准处理器单元的基 其中可重构阵列的构成元素可以是基本 础上增加专用的计算设备，为通用计算提供特 门，也可以是功能部件（如寄存器等）.可重构计 收稿日期2000-10-31男，31岁，讲师，预士 算的技术关键有：

摘 卷 第 期 的 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 工 处汀 恤 、 】 乡 可重构计算机体系结构 王 昭 顺 王 沁 曲 英 杰 北京科技大学信息工程学院 ， 北京 摘 要 介绍可重构的概念 、 可重构计算系统的基本结构 、 技术基础 和技术关键 提出可重构 计算机设计中存在的间题与解决方案 关扭词 可重构 可重构计算系统 可重构计算系统结构 分类号 可重构的概念 可重构是在软件 的控制下 ， 利用 可重用资 源 ， 重构或重组成另一个计算平 台 ， 以适应不 同 的应用需求 具有可重构特征的计算系统称为 可重构计算系统 重构与重组是可重构计算系统改变其功能 的 种方式 【 重构是指新计算系统的功能部 件 ， 在 旧 的计算系统 中不存在 ， 利用 旧计算系统 的可重用资源重新构造生成 重组是指新计算 系统的功能部件 ， 在 旧 的计算系统 中存在 ， 通过 重新组合形成新 的计算结构 可重构 的基础是可重用资源 在 出 现之前 ， 可重构计算机系统采用重组的方式 ， 其 重用资源是功能部件 出现之后 ， 使重构 方式成为可能 ， 其重用资源是基本门和线 ， 通过 配置文件 ， 定义每个门的性质和线 的连接 ， 改变 硬件 的功能 可重构 的 目的是为解决硬件结构与应用不 匹配 按解决问题的层次不 同 ， 可将可重构分为 类‘，， 门级可重构 从基本 门级人手重构计算 系统 即将功能部件的逻辑用 实现 ， 当应 用算法改变时 ， 通过改变 的配置来改变 其功能 这种重构也称为 电路级可重构 部件级可重构 早期 的重构从功能部件 人手 ， 通过对功能部件 的重新组合来适应不 同 的计算需求 指令级可重构 在标准处理器单元的基 础上增加专用 的计算设备 ， 为通用 计算提供特 收稿 日期 犯 男 ， 岁 ， 讲师 ， 硕士 殊的计算支持 ， 以实现大计算量指令和子程序 的执行 这种提高通用计算机性能 的重构方法 称为指令级可重构 芯片级可重构 在多处理器互连 的基础 上 ， 使处理器位数可变 、 处理器个数可变或处理 器间互连可 变 的计算机结构 ， 称为芯 片级可重 构或结构级可 重构 可重构计算的系统结构 可重构计算系统一般采用标准处理器单元 与可 重构阵列 紧密藕合 的设计方法 ， 其基本 的 系统结构如图 所示 数据 可重构阵列 翻 可，构计算系统的落本结构 棺 花 沈 四 卜 月。 叮 可重构阵列可 以访间标准处理器单元的高 速缓存 ， 但可重构阵列可 以 与标准处理器单元 独立执行 指令来 自于缓存 ， 也可 以在标准处 理器单元 的控制下执行 指令来 自于标准处理 器 可重构计算 的技术基础是可重构阵列” 可 重构阵列结构如图 所示 其 中可 重 构 阵列 的构成元 素可 以 是基本 门 ， 也可 以是功能部件 如寄存器等 可重构计 算 的技术关键有 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．04．027

VoL.23 No.4 王昭顺等：可重构计算机体系结构 ●387· (1)可重构阵列元素的构造.确定可重构阵 系统的具体应用来确定其组合方式，以便确定 列元素的功能以及其功能实现方法 构造单元之间的连接与控制 (2)可重构阵列元素的物理连接.由于可重 确定了可重构计算机系统的应用需求之 构阵列需要适应不同的计算需求，理想的物理 后，设计师面临的第3问题是构造单元之间的 连接方式是全连通. 连接与控制.虽然根据具体的应用来确定连接 (3)可重构阵列元素RE(Reconfigurable El- 关系，减少了部分连线，但从芯片实现的角度， ement)的连接控制.不同的计算需求需要不同 可重构阵列内部的连线依然太多，增加芯片布 的连接方式，如何控制可重构阵列元素的连接 局布线的复杂度.一种解决方案是可重构阵列 方式，使应用灵活方便 内部的连接采用总线连接方式，如图4所示. RE RE RE RE RE RE RE 分8 RE RE RE RE 图2可重构阵列结构 RE RE RE Fig.2 Reconfigurable Arrag structure 图4可重构阵列的总线结构 3 可重构计算机系统设计中存在的 Fig.4 Bus structure of reconfigurable arrag 问题与解决方案 我们在设计一个可重构密码芯片RCCU (ReConfigurable Cryptogram Unit)时，采用了这 在可重构计算机系统设计过程中，设计师 种方法，RCCU的结构如图5所示 首先面临的问题是可重构阵列元素的构造.基 RCU为可重构单元，RF为寄存器堆.RCCU 本的构造元素有操作单元和存储单元两类，如 芯片可以完成4种不同密码算法的加/解密.可 图3所示 重构阵列的控制一般采用配置文件的方法，即 (a) (b) 提取可重构阵列的控制节点，用控制存储单元 MUX 中的编码控制他们.对于一个计算算法，所有控 MUX 制节点所需的编码写在一个配置文件中，用一 段程序将配置文件中的数据写入控制存储单 LOG LAT 元，由控制存储单元控制算法的执行.对于大规 模可重构阵列，配置文件较大，可重构阵列的重 图3可重构阵列元素构造单元，()操作单元，(b)存储 构时间将较长，设计师另一种可选的方案是采 单元 Fig.3 Construction unit of reconfigurable arrag element 用部分重构的思想.通过运行时的部分重构，使 重构阵列的硬件资源成为一种可以动态再分配 操作单元完成可重构阵列元素的功能，这 的计算资源，有效提高系统的资源利用率，减少 些构造元素的不同组合可以完成不同的应用需 了重构时间，所需的数据量比全部重构少 求；存储单元完成对操作单元结果的存储. 设计师面临的第2问题是面向何种应用需 1/60-1/3.Brigham Young大学研制的DISC(Dy- 求.当构造单元很多时，他们的组合方式成千上 namic Instruction Set Computer)是部分重构的一 个典型范例 万（组合爆炸问题），因此应根据可重构计算机

王昭顺等 可 重构计算机 体系结构 可重构阵列元素的构造 确定可重构 阵 列元泰的功能以及其功 能实现方法 可重构 阵列元素的物理连接 由于可重 构阵列需要适应不 同的计算需求 ， 理想 的物理 连接方式是全连通 可 重构 阵列元素 叮 的连接控制 不 同的计算需求需要不 同 的连接方式 ， 如何控制可重构阵列元素的连接 方式 ， 使应用灵活方便 系统 的具体应用来确定其组合方式 ， 以便确定 构造单元之间的连接与控制 确 定 了 可 重 构 计算机 系统 的应 用 需 求 之 后 ， 设计师面临 的第 问题是构造单元之间的 连接与控制 虽 然根据具体的应用来确定连 接 关系 ， 减少 了部分连线 ， 但从芯片实现 的角度 ， 可 重构阵列 内部 的连线依然太多 ， 增加 芯片布 局布线 的复杂度 一种解决方案是可重构阵列 内部 白侧座接采用 总线连接方式 ， 如 图 所示 一画 萦 萦 兮 单去 一二 吸 ‘ 一土 丁一 丁一… 晋士 图 可重构 阵列 结构 · 吨 加 向令 向今 向备 向令 自 向 可重构计算机系统设计中存在的 问题与解决方案 在可重构计算机系统设计过程 中 ， 设计师 首先面临的问题是可重构 阵列元素 的构造 ， 基 本 的构造元素有操作单元和存储单元两类 ， 如 图 所示 图 可兹构 阵列 的 总 线结构 加 画 选幽 圈 可，中构 阵列元素构造单元 中， 操作单元 ， 助存储 单元 她 操作单元完成可重构阵列元素的功能 ， 这 些构造元素的不 同组合可 以完成不 同的应用需 求 存储单元完成对操作单元结果 的存储 设计师面临 的第 问题是 面 向何种应用需 求 当构造单元很多时 ， 他们的组合方式成千上 万 组合爆炸问题 ， 因此应根据可重构计算机 我 们 在 设 计一 个 可 重 构 密码 芯 片 叮 时 ， 采用 了这 种方法 ， 的结构如 图 所示 为可重构单元 ， 为寄存器堆 芯 片可 以完成 种不 同密码算法 的加 解密 可 重构 阵列 的控制一般采用 配置文件 的方法 ， 即 提取可重构 阵列 的控制节点 ， 用 控制存储单元 中的编码控制他们 对于一个计算算法 ， 所有控 制节点所需 的 编码写在一个配置文件 中 ， 用一 段程 序将 配 置文 件 中 的 数据 写 人控 制存储单 元 ， 由控制存储单元控制算法 的执行 对于大规 模可重构阵列 ， 配置文件较大 ， 可重构阵列的重 构 时 间将较长 ， 设计师另一种 可选 的方案是采 用部分重构的思想 通过运行时 的部分重构 ， 使 重构阵列 的硬件资源成为一种 可 以动态再分配 的计算资源 ， 有效提高系统 的资源利用率 ， 减少 了 重 构 时 间 ， 所 需 的 数 据 量 比 全 部 重 构 少 一 大学研制 的 是部分重构 的一 个典型范例

●388· 北京科技大学学报 2001年第4期 RCU RCU RCU RCU RCU RCU RCU RCU ! 一 控制寄存器 RCU RCU RCU RCU RCU RCU RCU RCU RF IN OUT 图5RCCU芯片结构 Fig.5 Stracture of RCCU clip 4 结束语 所作为，也为我国刚刚起步的集成电路设计与 开发指出了一条途径. 可重构计算为计算机体系结构提供了一个 新的发展方向，提高了并行处理的效率和并行 参考文献 处理的应用领域.在模式识别、图像处理、密码1佟冬，胡铭曾，方滨兴.可重构计算和可重构计算机 学等领域得到成功应用.可重构计算机特别适 技术.计算机科学，1998(4：7 2罗金平，杜贵然，周兴铭.计算机体系结构的新发展： 合由位级(Bit Level)操作组成的算法m,在我国 通用重构计算技术.计算机工程，1999(9)：1 研究密码算法与密码芯片等领域的过程中将有 3黄海鹰，黄华.可重构计算机.微处理机，1999(2)39 Reconfigurable Computer Architecture WANG ZhaoShun,WANG Oin,OU YingJie Information Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Introduced the concepts of reconfigurable and basic structure,key technology of reconfigur- able computing system,then presented some problems and their solutions in design of reconfigurable com- puter. KEY WORDS reconfigurable;reconfigurable computing system;reconfigurable computer architecture

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 一 甲一 一 控 制 ，尸 寄 存 卜应匆 · 器 二 二甲 日中‘ 甲 ， ， 仲， 日梦 件 森中 认嚓 〕 ， 厂一一一 ， 一， 匕孚 ’ 甘 日 卜 结束语 圈 芯片结构 褚 口 如 所作为 ， 也为我 国刚刚起步 的集成 电路设计与 可重构计算为计算机体系结构提供了一个 新 的发展方 向 ， 提高了并行处理的效率和并行 处理的应用 领域 在模式识别 、 图像处理 、 密码 学等领域得到成功应用 可重构计算机特别适 合 由位级 操作组成 的算法叭 在我 国 研究密码算法与密码芯片等领域的过程 中将有 开发指 出了一条途径 今 考 文 献 伶冬 ， 胡铭曾 ， 方滨兴 可重构计算和可重构计算机 技术 ， 计算机科学 ， 罗 金平 ， 杜贵然 ， 周兴铭 计算机体系结构的新发展 通用重构计算技术 计算机工程 ， 黄海鹰 ， 黄华 可重构计算机 微处理机 ， 讲 甘 环月刀召 ， 洲刃 ， 万心 加允仙鱿 运 血 ， 响吨 ， 加川 权 理 ， 叮 琳 ， 也即 ‘ 别盼 叮 即叮 仪止