可重構(gòu)系統(tǒng)原型設(shè)計及動態(tài)重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)

摘 要：可重構(gòu)計算具有應(yīng)用靈活、性能高、功耗低、成本低等優(yōu)勢。動態(tài)重構(gòu)技術(shù)作為可重構(gòu)計算的配置方法，具有配置方法靈活、耗時短、任務(wù)實時響應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。文章首先提出了可重構(gòu)系統(tǒng)原型的設(shè)計思路，并著重分析了可重構(gòu)計算單元、存儲單元、可重構(gòu)管理單元等關(guān)鍵模塊的設(shè)計理念。然后分析了動態(tài)配置技術(shù)的實現(xiàn)原理，并且基于可編程邏輯陣列，搭建了“嵌入式處理器+總線+可重構(gòu)計算單元”的硬件系統(tǒng)，并實現(xiàn)了兩種圖像處理IP核的動態(tài)配置。

關(guān)鍵詞：可重構(gòu)計算；系統(tǒng)原型；動態(tài)配置技術(shù)

引言

可重構(gòu)系統(tǒng)一般由主處理器耦合一組可重構(gòu)的硬件部件，處理器負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度，而可重構(gòu)的硬件部件負(fù)責(zé)執(zhí)行算法[1]?？芍貥?gòu)架構(gòu)的研究主要集中在以下幾個方面：不同粗細(xì)粒度的架構(gòu)研究、處理單元結(jié)構(gòu)研究、處理單元的互聯(lián)方式研究、新型存儲結(jié)構(gòu)研究等?？芍貥?gòu)系統(tǒng)的重構(gòu)方法主要包含兩大類：靜態(tài)重構(gòu)技術(shù)、動態(tài)重構(gòu)技術(shù)。靜態(tài)重構(gòu)需要整個系統(tǒng)復(fù)位，往往需要斷電重啟；動態(tài)重構(gòu)技術(shù)是在系統(tǒng)不斷電的情況下，可以完成對指定計算資源、邏輯資源的模塊級或電路級重構(gòu)，具有功能實時切換、資源可復(fù)用等優(yōu)勢。

動態(tài)重構(gòu)技術(shù)作為一種計算系統(tǒng)的新型配置設(shè)計思路，從傳統(tǒng)的追求計算資源“大而全”，向追求資源的利用率轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)的靜態(tài)配置或完全配置方法相比，動態(tài)重構(gòu)技術(shù)無需對所有計算資源重構(gòu)，可以有選擇性的進(jìn)行重構(gòu)資源加載，一方面，能夠保證系統(tǒng)在其他單元正常工作的同時，根據(jù)待處理任務(wù)需求及數(shù)據(jù)特點(diǎn)完成自適應(yīng)配置，保證了對邏輯資源的時分復(fù)用；另一方面，能夠大大縮短功能切換單元的配置時間，保證任務(wù)的無縫對接及實時處理。

文章組織結(jié)構(gòu)如下：首先提出了可重構(gòu)系統(tǒng)原型的設(shè)計思路，從可重構(gòu)計算單元、存儲單元、可重構(gòu)控制單元等多個方面做了細(xì)化闡述；然后分析了動態(tài)配置技術(shù)的實現(xiàn)原理，并基于Xilinx開發(fā)平臺，搭建了“嵌入式處理器+可重構(gòu)計算單元”的驗證系統(tǒng)，實現(xiàn)了粗化、細(xì)化兩種邊緣提取IP核的動態(tài)配置；最后對試驗結(jié)果進(jìn)行評估。

1 可重構(gòu)計算系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案

可重構(gòu)計算原型系統(tǒng)的體系架構(gòu)采用RISC架構(gòu)通用處理器（CPU）、可重構(gòu)控制單元、可重構(gòu)計算陣列、可重構(gòu)I/O接口和存儲系統(tǒng)等部分組成。CPU與可重構(gòu)計算陣列之間為并行處理關(guān)系。從系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度和靈活度考慮，兩者采用總線結(jié)構(gòu)耦合。因此，在系統(tǒng)平臺架構(gòu)中，通用處理器、計算單元和接口單元之間采用總線連接方式。其系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

系統(tǒng)變換形態(tài)流程如下：系統(tǒng)進(jìn)行計算功能變換時，通用處理器向可重構(gòu)控制單元發(fā)送重構(gòu)命令，可重構(gòu)控制單元管理、調(diào)度硬件資源，并上報系統(tǒng)工作狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)資源準(zhǔn)備就緒后，通用處理器控制可重構(gòu)硬件讀取硬件配置數(shù)據(jù)并加載到器件中，以變換可重構(gòu)計算單元或接口單元的形態(tài)，統(tǒng)一變換系統(tǒng)中全局存儲空間的劃分、管理及訪問控制，各計算模塊共享內(nèi)存區(qū)的映射關(guān)系圖；同時，根據(jù)新的計算形態(tài)加載相應(yīng)的軟件和數(shù)據(jù)，最終完成整個系統(tǒng)形態(tài)變換流程。功能切換時，只對可重構(gòu)硬件的一部分進(jìn)行重新配置，其他部分可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。動態(tài)部分重構(gòu)可以減少配置數(shù)據(jù)，加快了計算形態(tài)變換速度，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。

通用處理器運(yùn)行操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制、計算形態(tài)管理、計算資源管理和任務(wù)調(diào)度；處理那些控制比較復(fù)雜、不便映射到硬件上，且計算量較少的計算任務(wù)，如變長循環(huán)、分支控制、存儲器讀寫等?？芍貥?gòu)硬件則用于處理計算量大、并行度高、任務(wù)相關(guān)度低的部分，執(zhí)行程序中擁有規(guī)則的數(shù)據(jù)訪問模式，控制簡單的那部分“計算密集型”代碼，主要由可重構(gòu)控制單元、可重構(gòu)計算單元、可重構(gòu)I/O接口及片上高速總線組成。其中計算單元及I/O接口可根據(jù)應(yīng)用需求重構(gòu)為不同的計算形態(tài)。

1.1 可重構(gòu)系統(tǒng)計算單元模型設(shè)計

可重構(gòu)系統(tǒng)計算單元的基本思想要求將計算和存儲兩部分進(jìn)行解耦合，因此采用了數(shù)據(jù)和指令存儲物理分離的哈佛結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)訪問模塊、指令組織與調(diào)度模塊和指令執(zhí)行模塊分離。同時，根據(jù)流處理模型中生產(chǎn)者消費(fèi)者局部性的特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)訪問模塊劃分成軟件可管理的多個存儲層次，各自保持獨(dú)立運(yùn)行。可重構(gòu)系統(tǒng)計算單元主要有三個部分組成：控制單元、存儲單元、可重構(gòu)處理單元陣列。

控制單元。執(zhí)行算法時，控制單元對可重構(gòu)系統(tǒng)計算單元進(jìn)行總體控制，協(xié)調(diào)可重構(gòu)處理單元陣列、配置存儲器、本地存儲器、數(shù)據(jù)分配單元、數(shù)據(jù)合并單元的運(yùn)行，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和各個單元內(nèi)部控制信號的反饋信息，改變各個單元的狀態(tài)，保證系統(tǒng)正確運(yùn)行。

存儲單元。存儲單元分為三部分：數(shù)據(jù)存儲，寄存器堆以及配置存儲。數(shù)據(jù)存儲包括本地存儲器，數(shù)據(jù)分配單元以及數(shù)據(jù)合并單元。本地存儲器用于存儲可重構(gòu)處理單元陣列計算需要的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分配單元用于從本地存儲器或寄存器堆中讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)合并單元用于向本地存儲器或寄存器堆寫入計算單元的輸出數(shù)據(jù)。寄存器堆用于存儲中間數(shù)據(jù)，并向陣列發(fā)送配置字。

可重構(gòu)計算基礎(chǔ)單元?？芍貥?gòu)計算單元是可重構(gòu)陣列的核心部分，可以理解為粗粒度的最小計算單元。為了能夠執(zhí)行更多類型的算法，需要支持盡量更多的功能。例如，對于常用的計算密集型運(yùn)算，需要支持FFT、FIR、DCT和點(diǎn)積等功能。因此成熟的可重構(gòu)系統(tǒng)中，應(yīng)該包含足夠多基礎(chǔ)功能、不同粒度需求的可重構(gòu)計算資源庫，以便于更加靈活的資源組合。

1.2 可重構(gòu)系統(tǒng)存儲單元模型設(shè)計

可重構(gòu)計算系統(tǒng)的存儲單元由CPU和可重構(gòu)陣列共同訪問操作。因此，存儲單元主要研究CPU和可重構(gòu)計算單元對內(nèi)存訪問的協(xié)調(diào)與控制機(jī)制，存儲單元的模型設(shè)計需要主要解決如下問題：避免內(nèi)存訪問沖突、解決多個處理器模塊并行工作會降低主存的訪問效率的問題、解決可重構(gòu)計算單元面臨的端口和速度的限制。

存儲管理單元主要解決多個模塊并行工作時會降低訪存效率的問題：多個模塊共享片外內(nèi)存會引起訪問沖突從而導(dǎo)致等待；訪問片外內(nèi)存的端口數(shù)量非常有限，不利于數(shù)據(jù)通路中的并行訪問。主要采取如下改進(jìn)措施：（1）為可重構(gòu)硬件平臺增加內(nèi)存管理單元，實現(xiàn)片外和片上內(nèi)存的映射，保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性；（2）為內(nèi)存訪問提供多端口流水化處理或數(shù)據(jù)預(yù)讀??；為應(yīng)用提供定制化的緩存結(jié)構(gòu)。

1.3 可重構(gòu)管理單元模型設(shè)計

可重構(gòu)管理單元負(fù)責(zé)控制任務(wù)，它主要接收通用處理器指令，完成系統(tǒng)形態(tài)管理和資源管理；計算單元的軟件加載、配置管理和數(shù)據(jù)交換等任務(wù)。

其主要完成的工作有：（1）實現(xiàn)全局存儲空間的劃分、管理及訪問控制，解決數(shù)據(jù)訪問沖突，阻止非法訪問；將各模塊傳遞的數(shù)據(jù)存儲在統(tǒng)一的存儲區(qū)，以并行方式協(xié)同完成計算任務(wù)；（2）接收通用處理器的指令，將共享存儲系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件加載到計算單元；（3）對系統(tǒng)內(nèi)部可重構(gòu)硬件資源進(jìn)行管理，確保相應(yīng)可重構(gòu)計算單元或I/O接口功能變換時，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行功能；（4）用于實現(xiàn)對可重構(gòu)計算單元的動態(tài)配置，可以根據(jù)應(yīng)用任務(wù)需求修改計算單元架構(gòu)和計算模塊的功能，并將計算單元、I/O接口的總線轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的內(nèi)部互連總線，提高了對外連接的適應(yīng)性。

2 基于可編程邏輯陣列的動態(tài)配置技術(shù)實現(xiàn)

2.1 動態(tài)配置技術(shù)原理

動態(tài)配置技術(shù)是實現(xiàn)可重構(gòu)計算單元切換的關(guān)鍵技術(shù)，保證邏輯資源的時分復(fù)用，在優(yōu)化資源配置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對不同任務(wù)的響應(yīng)。動態(tài)配置技術(shù)支持的配置階段及配置策略，直接決定了不同重構(gòu)單元是否能夠?qū)崿F(xiàn)無縫切換，進(jìn)而影響了任務(wù)實時響應(yīng)能力。目前成熟的動態(tài)配置技術(shù)需要提前編譯待重構(gòu)的邏輯資源、定義各硬件模塊的接口和時序約束、明確各模塊在可編程邏輯陣列上的實現(xiàn)區(qū)域及模塊之間的物理連線。動態(tài)配置技術(shù)主要包括三個階段，即設(shè)計階段、編譯階段、運(yùn)行階段[2]。

設(shè)計階段，根據(jù)任務(wù)處理需求，需要設(shè)計不同計算任務(wù)對應(yīng)的功能電路，每種計算任務(wù)可能對應(yīng)一種功能電路，或者是若干個功能電路的組合。在基于可編程邏輯陣列的邏輯設(shè)計中，電路設(shè)計采用硬件語言描述或者原理圖描述的方法；頂層設(shè)計文件通過綜合器生成網(wǎng)表文件，在布局/布線階段，依舊可以對流處理器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

編譯階段，基于配置文件的生成工具，生成初始配置文件及若干動態(tài)配置文件；初始配置文件包含了非重構(gòu)區(qū)域的系統(tǒng)或電路描述，每個動態(tài)配置文件對應(yīng)一種計算任務(wù)。動態(tài)配置文件經(jīng)過重構(gòu)文件生成器，生成最終可以動態(tài)加載的配置文件。

運(yùn)行階段，非重構(gòu)區(qū)域的處理器或者控制電路，可以自行分析待處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)或依據(jù)頂層控制指令，完成配置文件的動態(tài)加載。加載過程往往通過重構(gòu)控制器及動態(tài)配置接口完成，重構(gòu)配置器在重構(gòu)數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)計算任務(wù)對應(yīng)的配置文件，通過動態(tài)配置接口將其加載到可重構(gòu)平臺中，并將可重構(gòu)分區(qū)內(nèi)的邏輯資源重構(gòu)。

2.2 基于ICAP動態(tài)配置技術(shù)實現(xiàn)

Xilinx公司提供支持動態(tài)配置技術(shù)的整套開發(fā)工具，包括用于動態(tài)配置的配置接口IP硬核及相應(yīng)的加載配置函數(shù)。開發(fā)者需要基于標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)流程，搭建硬件平臺并制作可重構(gòu)計算單元的IP核；根據(jù)可重構(gòu)部分的資源占用情況，在FPGA內(nèi)部劃分可重構(gòu)區(qū)域資源的大小、位置及種類。ICAP（Internal Config Access Port）是可重構(gòu)資源的內(nèi)部配置接口，可以掛在到內(nèi)部總線上；硬件平臺搭建完成之后，編譯系統(tǒng)會為ICAP提供唯一尋址地址，作為從外部存儲空間向內(nèi)部可重構(gòu)區(qū)域加載的數(shù)據(jù)入口和通道。

如圖2所示，基于ICAP的動態(tài)配置技術(shù)主要包含如下步驟：創(chuàng)建處理器硬件系統(tǒng)、創(chuàng)建頂層設(shè)計、創(chuàng)建布局/布線工程、定義可重構(gòu)分區(qū)、添加可重構(gòu)模塊、設(shè)計規(guī)則檢測、自定義配置、生成比特流、生成啟動文件。創(chuàng)建處理器硬件系統(tǒng)及頂層設(shè)計后，需要對模塊占用的資源進(jìn)行預(yù)估，并根據(jù)預(yù)估結(jié)果創(chuàng)建頂層設(shè)計的約束文件。定義可重構(gòu)分區(qū)、添加可重構(gòu)模塊階段，需要充分考慮布局布線的時序及資源要求。圖3為可重構(gòu)系統(tǒng)的布局圖，主要包括處理器、可重構(gòu)分區(qū)、數(shù)據(jù)總線及其他非重構(gòu)IP核等，處理器負(fù)責(zé)資源調(diào)度、可重構(gòu)接口控制等；可重構(gòu)分區(qū)用于實現(xiàn)流處理器的多形態(tài)變換；數(shù)據(jù)總線同時用作動態(tài)配置文件加載、各模塊數(shù)據(jù)通信通道。

2.3 可重構(gòu)計算系統(tǒng)平臺搭建

如圖4所示，基于動態(tài)配置技術(shù)的可重構(gòu)架構(gòu)的驗證系統(tǒng)包括上位機(jī)、可重構(gòu)計算系統(tǒng)（主要由可編程邏輯陣列組成），兩者之間通過通信總線連接。主要包含以下模塊：（1）可重構(gòu)控制單元。該單元包含：內(nèi)嵌通用處理器PowerPC、Linux操作系統(tǒng)、PLB總線等，主要負(fù)責(zé)可重構(gòu)單元的控制、數(shù)據(jù)傳輸、資源調(diào)度等。（2）通信單元。該單元主要包含：以太網(wǎng)接口及串口，用于圖像傳輸及控制指令傳輸。（3）內(nèi)存管理單元。該單元主要包含片內(nèi)定制的乒乓存儲單元，用于源圖像及中間處理數(shù)據(jù)的緩存。（4）可重構(gòu)邏輯單元?？芍貥?gòu)控制單元根據(jù)待處理數(shù)據(jù)的信息特征，通過動態(tài)重構(gòu)方式加載不同配置文件。如可重構(gòu)硬件模塊1支持圖像邊緣的粗提取，可重構(gòu)硬件模塊2支持圖像邊緣的精細(xì)化提取。

上位機(jī)負(fù)責(zé)可重構(gòu)配置單元的加載控制，能夠根據(jù)待處理任務(wù)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和大小以及處理內(nèi)容，選擇最適應(yīng)的可重構(gòu)加載文件，并向可重構(gòu)計算系統(tǒng)發(fā)出重構(gòu)指令?？芍貥?gòu)計算系統(tǒng)通過加載不同配置信息，可重構(gòu)計算單元來并完成處理任務(wù)。在任務(wù)處理過程中，可重構(gòu)計算系統(tǒng)可將任務(wù)狀態(tài)信息、任務(wù)處理結(jié)果等用戶關(guān)心的參數(shù)上報給上位計算機(jī)并打印輸出。

文章實現(xiàn)的圖像邊緣提取算法包括如下步驟：圖像平滑、圖像銳化、邊緣提取、邊緣連接，最終得到完整的邊緣圖像。高斯平滑與LOG銳化過程采用空間域濾波方法，二值處理采用自適應(yīng)閾值分離方法，邊緣細(xì)化采用形態(tài)學(xué)變換的方法。其中粗提取模塊主要包含以下三個步驟：圖像平滑、圖像銳化、二值處理。精細(xì)提取模塊包括以下四個步驟：圖像平滑、圖像銳化，二值處理和邊緣細(xì)化四個步驟。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗環(huán)境

可重構(gòu)計算系統(tǒng)的試驗平臺基于Xilinx提供的ML507開發(fā)板，處理器采用PowerPC440，操作系統(tǒng)采用Linux，處理器通過PLB總線與可重構(gòu)配置區(qū)域及其他IP核通信。具體配置參數(shù)如表1所示。

3.2 試驗結(jié)果評估

配置文件規(guī)模評估。實驗結(jié)果表明，如果將“PowerPC處理器+PLB總線+圖像處理IP核”的硬件系統(tǒng)全部重構(gòu)，需要配置的比特流文件為1914KB；而圖像處理IP核的重構(gòu)只需285KB。由此可以看出，與靜態(tài)配置技術(shù)相比，動態(tài)配置技術(shù)能夠在保證大部分邏輯資源不變的情況下，選擇性的完成資源重構(gòu)。

配置時間評估。動態(tài)配置技術(shù)實現(xiàn)中采用的內(nèi)部配置訪問接口ICAP的時鐘頻率為50MHz，數(shù)據(jù)帶寬8bit，理論配置速度為0.5× 108B/s。實驗結(jié)果表明，動態(tài)配置技術(shù)無論在配置數(shù)據(jù)的加載時間還是重構(gòu)總耗時，都大大減少。配置時間的減少，保證了計算資源的無縫切換，提高了不同任務(wù)的響應(yīng)速度及實時處理能力。

4 結(jié)束語

文章主要有如下貢獻(xiàn)：（1）提出了可重構(gòu)計算原型系統(tǒng)的設(shè)計思路，著重介紹了可重構(gòu)系統(tǒng)計算單元、可重構(gòu)系統(tǒng)存儲單元、可重構(gòu)管理單元等關(guān)鍵模塊的設(shè)計理念。（2）搭建驗證平臺，并實現(xiàn)了動態(tài)配置技術(shù)。文章基于Xilinx開發(fā)平臺，搭建了“PowerPC處理器+PLB總線+可重構(gòu)計算單元”的驗證系統(tǒng)，設(shè)計了邊緣提取的自主知識產(chǎn)權(quán)核，實現(xiàn)了基于ICAP動態(tài)配置接口的可重構(gòu)計算。實驗結(jié)果表明該驗證平臺不僅具有較高的計算能力和計算靈活性，而且具有較強(qiáng)的資源調(diào)度能力，能夠大大縮短資源重構(gòu)的占用時間。

未來工作包括以下幾方面：（1）進(jìn)一步完善體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和系統(tǒng)計算模型；（2）結(jié)合可重構(gòu)硬件的發(fā)展，進(jìn)一步開展可重構(gòu)支撐技術(shù)的研究，如：任務(wù)時域劃分模型、軟硬件劃分及調(diào)度模型、硬件資源管理模型等；（3）深入研究可重構(gòu)計算基礎(chǔ)模型，建立多種架構(gòu)的可重構(gòu)單元模型庫，以適用于更多的應(yīng)用場景。

參考文獻(xiàn)

[1]方琛，等.粗粒度可重構(gòu)處理器的結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[2]徐新民，等.FPGA動態(tài)部分重構(gòu)的研究及位流信息重構(gòu)的實現(xiàn)[J].科技通報，2008，24（2）：236-230.

[3]Krill B，Amira A，Ahmad A，Rabah H.A new FPGA-based dynamic partial reconfiguration design flow and environment for image processing applications[J]. Visual Information Processing （EUVIP），2010.

[4]Interoperability and performance standards for data modems[Z]. MIL-STD-188-110B，2000.

[5]Giovanni D M，Gupta R K.Hardware-software codesign[J]. Readings in Hardware/Software Co-Design，2002

[6]KchuaiWu，JanMadsen.Run-timedynamic reconfiguration：Areality che

ck based on FPGA Architectures form Xilinx[J]. Norchip Conferenc

e，2005.

[7]Sergios Theodoridis，Konstantinos Koutroumbas.Pattern Recogntion，20

06.

[8]ChristianFdaSilva，AliceM.Tokarnia.RECASTER：Synthesis of Fault-Tolerant Embedded Systems based on Dynamically Reconfigurable FPGAs[J].Proceedings of the 18th International Parallel and Distributed Processing Symposium，2004.

[9]Dimos V. Dimarogonas，Kostas J. Kyriakopoulos. A connection bet

ween formation infeasibility and velocity alignment in kinematic multi-agent systems[J].Automatica，2008（10）.