硬件动态可重构报告

1、硬件动态可重构研究报告刘振华 2009211236报告结构业界可重构的基本思路动态可重构技术包含的问题硬件平台到硬件平台上的映射软硬件任务的统一管理业界可重构的基本思路可重构系统的硬件平台大多数都是由微处理器和可重配置硬件构成的基本思想是利用可重配置硬件的灵活性使系统对大多数应用都具有较高的性能硬件动态可重构采用的器件可重配置硬件可以采用类似于FPGA 的细颗粒度的逻辑单元, 也可以是针对特定应用领域设计的粗颗粒度的逻辑单元。和ASIC 相比, 可重配置硬件的灵活性使得硬件可以应用到多种不同的应用中, 甚至是在流片测试后, 可以根据应用需求的灵活性对可重配置硬件进行配置。动态可重构思想对IC设

2、计的影响动态可重构是FPGA 及可重构技术的发展方向, 代表了一种新的设计思想数字逻辑系统的设计从原来一味地追求芯片的逻辑规模转向注重对逻辑资源的时分复用; 从功能固定的数字系统转向具有自适应和自修复能力的数字系统动态可重构技术包含的问题可重构计算专题研究组 RAW2005 年的会议介绍上有如下描述： 动态可重构的特点在于硬件结构或器件能够迅速改变 (系统运行过程中) 其功能和连接。采用动态可重构关键在于重构的处理及提高配置速度 。动态可重构技术包含的问题具体包括以下三个方面：1，硬件平台2，特定应用到硬件平台上的映射3，系统运行时所需的控制动态可重构技术包含的问题：硬件平台硬件平台可以针对应

3、用进行专门设计, 如Berkerley的 Garp, 但现有的研究多采用商用器件, 如Xilinx 的Virte xII Pro或更高级的器件（芯片级）, 甚至硬件平台由多个芯片组成（板级）动态可重构技术包含的问题：硬件平台（芯片级）按照可重构逻辑的配置方式可以将支持动态重构的硬件分成多上下文配置器件和部分可重配置器件。动态可重构技术包含的问题：硬件平台（芯片级）（1）多上下文配置器件存在多套编程点, 有效编程点的内容决定了可重配置逻辑完成的功能：动态可重构技术包含的问题：硬件平台（芯片级）多上下文配置器件的缺点：版图中编程点占的面积相当可观, 故采用多套编程点的设计方法引入的硬件资源会造成面

4、积过大动态可重构技术包含的问题：硬件平台（芯片级）（2）部分可重构器件分成很多可以独立配置的区域。在整个芯片的运行过程中, 可以单独对每个可重配置单元进行配置而不影响其他可重配置单元的工作。硬件上并行配置、只对变化的编程点进行配置等以进一步减少配置时间。动态可重构技术包含的问题：硬件平台（芯片级）部分可重配置器件是更常见的硬件结构, 如 Xilinx 的Virtex、Atmel 的AT40k、FPSLIC、Lat tice的ORCA 及ispXPGA等动态可重构技术包含的问题：硬件平台（板级）硬件平台由多个芯片组成ARM+多块FPGAARM+多块DSP+多块FPGA针对特定应用场景进行可重构动

5、态可重构技术包含的问题：硬件平台（针对SDR）针对SDR：板级+芯片级（链路重构和参数重构）到硬件平台上的映射特定应用在硬件平台上的映射可手动也可通过软件协助, 之后交由运行时控制模块将映射好的功能管理。如果映射好的模块有固定的顺序, 则运行时控制模块的设计相对简单; 如果应用存在分支, 即下一时刻需要运行时的模块取决于当前模块的输出结果, 则需要灵活的运行时控制模块。到硬件平台上的映射：纯硬件实现的应用的映射基于差别的方法基于模块的方法到硬件平台上的映射：纯硬件实现的应用的映射基于差别的方法需要设计者指定修改那些逻辑单元及怎样修改。该过程需要设计者对应用、硬件相当熟悉, 只适用于很少的修改,

6、 不是通用的动态可重配置方法。到硬件平台上的映射：纯硬件实现的应用的映射基于模块的方法采用该方法用户需要定义各硬件模块的接口和时序约束, 各模块在FPGA 芯片上的实现区域、模块之间的物理连线等, 通过小模块的组合及换入换出完成整个应用问题：必须采用一些公司的指定几款芯片, 定义模块之间的连接需要花费大量的时间, 还需要手动指定硬件的划分和映射,用户使用起来仍然非常困难。到硬件平台上的映射：同时包含软硬件的应用的映射对于同时包含软硬件的较大规模的应用, 其动态可重构实现需要相应的设计方法和一整套软件系统的支持到硬件平台上的映射：同时包含软硬件的应用的映射对一个以软件语言描述 (如C+ + ,J

7、ava等) 的应用, 首先要分清哪些应该用硬件实现, 然后考虑怎样将高级语言转变成可综合的硬件语言, 紧接着需要把划分好的软硬件需要转变成软件对应的可执行的二进制代码和硬件对应的配置位流信息。到硬件平台上的映射： 同时包含软硬件的应用的映射（SDR）通常应用中可变的及最耗时的部分用硬件实现, 复杂的控制及数据结构仍然由软件实现。对于SDR，基带的涉及复杂算法的可由软件或者专用硬件实现，而中频到射频可由FPGA等硬件实现软硬件任务的统一管理应用映射到CPU 和可重配置逻辑上后, 需要由运行时控制模块管理各模块的运行。我们PC的操作系统一般只能调度软件任务，而对于包含软硬件任务的系统，业界采用扩展的操作系统这一概念，这也是硬件动态可重构的研究热点之一。软硬件任务的统一管理：扩展的操作系统操作系统可以看作是对多个计算任务进行系统级调度的工具, 但现有的操作系统都是针对软件任务进行管理动态可重配置系统所需的软硬件统一管理首先应该将硬件模块变成硬件任务并纳入到扩展的操作系统的管理范畴内, 然后由扩展的操作系统进行软硬件统一的管理, 重点在于对硬件任务的管理。该方法是Andrews 等人最早提出的,现在该模型已被越来越多的研究者接受软硬件任务的统一管理：扩展的操作系统开展硬件任务接口方面的研究构建硬件任务