多形態(tài)可重構(gòu)計算機

1、全國抗惡劣環(huán)境計算機第十九屆學(xué)術(shù)年會論文集多形態(tài)可重構(gòu)計算機新型體系結(jié)構(gòu)張帆楊帆沈鬆中國航天科工集團第二研究院706所 北京100854摘 更：本文提出了一種多形態(tài)可重構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠針對特定應(yīng)用要求合理地分配資源, 從體系結(jié)構(gòu)、部件和I/O接口尊三個不同的級別上進行重構(gòu)，動杰形成SMP并行、集群或容錯等多種系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且可以支持各種應(yīng)用所提出的在線更新要求.關(guān)犍詞*多形態(tài)可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)52全國抗惡劣環(huán)境計算機第十九屆學(xué)術(shù)年會論文集#全國抗惡劣環(huán)境計算機第十九屆學(xué)術(shù)年會論文集1引言隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)得到了 廣泛的應(yīng)用.由于不同的應(yīng)用環(huán)境對計算機的處 理能力具有不同的

2、要求，如要求具有對多并發(fā)事 務(wù)的并行處理能力、對多媒體數(shù)據(jù)的高速處理能 力、具備實時響應(yīng)能力等，因此，計算機在最初 的發(fā)展階段，從體系結(jié)構(gòu)、硬件、軟件等各個方 面進行了 “專用化”設(shè)計，以滿足不同應(yīng)用環(huán)境 的要求.然而，專用化設(shè)計的計算機只有在運行 于特定的系統(tǒng)時才會獲得較好的性能，從而降低 了系統(tǒng)的靈活性，并且，各種專用芯片的出現(xiàn)使 得系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度越來越高，可揉性大大下降.隨著技術(shù)的發(fā)展，軟、硬件設(shè)計水平的提高， 通用的處理器己經(jīng)可以同時滿足不同系統(tǒng)對信息 處理的并發(fā)性、實時性和處理能力尊不同要求， 計算機系統(tǒng)隨之從“專用化設(shè)計”過渡到了 “通 用化設(shè)計”階段“通用化”產(chǎn)品設(shè)計降低了計算

3、 機的設(shè)計復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性. 但是傳統(tǒng)設(shè)計的通用處理器很難同時運行各種不 同的工作負載，而且目標(biāo)應(yīng)用的計算、訪存和I/O 特征宜接決定了處理器的體系結(jié)構(gòu)，由于沒有哪 個體系結(jié)構(gòu)在運行所有的應(yīng)用時都能達到最優(yōu)性 能，因此處理器的設(shè)計者只能通過調(diào)整體系結(jié)構(gòu) 設(shè)計來適應(yīng)目標(biāo)應(yīng)用的要求.未來信息化技術(shù)發(fā)展的環(huán)境下，計算機不僅 要滿足高效能的要求，更要具備對不同應(yīng)用環(huán)境 的感知能力，能夠針對不同應(yīng)用進行快速部署， 進行架構(gòu)的動態(tài)自適應(yīng)謂整，動態(tài)適應(yīng)任務(wù)的處 理要求，滿足多種任務(wù)對計算機的需求.由于多 形態(tài)可重構(gòu)技術(shù)具有感知應(yīng)用環(huán)境、動態(tài)調(diào)整架 構(gòu)的特性，支持異構(gòu)系統(tǒng)的互通與融合，能夠滿

4、 足各種不同類型應(yīng)用對計算平臺的需求，充分發(fā) 揮計算機運算能力的優(yōu)勢，從而能在一個很寬的 應(yīng)用范圍內(nèi)達到高性能，非常適合滿足計算機未 來發(fā)展的需要.本文章節(jié)安排如下：第一章為引言；第二章 對可重構(gòu)技術(shù)進行了簡單的介紹；第三章提出了 多形態(tài)可殖構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)：第四章對全文作 以總結(jié).2可重構(gòu)技術(shù)可重構(gòu)計算(Reconfigurable Computing) 是指系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用的需要，在軟件的控制下，利 用系統(tǒng)中的可重用資源，根據(jù)變化的數(shù)據(jù)流或控 制流對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法進行重新配賈，將其硬件 模塊或(和)軟件模塊重新構(gòu)造成一個新的計算 平臺，達到接近專用硬件設(shè)計的高性能.具有可 直構(gòu)計算特征的系統(tǒng)稱

5、為可重構(gòu)計算系統(tǒng)1-33多形態(tài)可重構(gòu)計算機新型體系結(jié) 構(gòu)收稿日期* 2009 06- 30可重構(gòu)計算系統(tǒng)一般都由微處理器和可重構(gòu) 硬件“耦合”構(gòu)成.微處理器用來配置可重構(gòu)硬件、分配I/O端口、完成那些可重構(gòu)硬件難以有 效執(zhí)行的計算任務(wù)，如變長循環(huán)、分支控制、存 儲器讀寫等.可靈構(gòu)硬件則用于加速計算的核心 部分，主要由一系列可重構(gòu)的邏輯塊、可重構(gòu)的 互連資源、可與系統(tǒng)中的其它部分靈活連接的接多形態(tài)可重:構(gòu)計算機系統(tǒng)由多個5）計算節(jié) 點、一個多形態(tài)管理節(jié)點、一個可重構(gòu)控制器（多 形態(tài)FPGA陣列）以及存儲模塊和I/O接口組成， 其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示.53全國抗惡劣環(huán)境計算機第十九屆學(xué)術(shù)年會論文集#

6、全國抗惡劣環(huán)境計算機第十九屆學(xué)術(shù)年會論文集圖I多形杰可倉構(gòu)計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)<*fe:n.$tt接n#全國抗惡劣環(huán)境計算機第十九屆學(xué)術(shù)年會論文集可重構(gòu)模塊玄構(gòu)互連模塊3.1管理節(jié)點管理節(jié)點多形態(tài)管理節(jié)點與用戶進行交互， 根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需求，控制可重構(gòu)控制器進行體 系結(jié)構(gòu)的動杰配置.3.2計算節(jié)點計算節(jié)點負貴系統(tǒng)運行計算任務(wù)，各個節(jié)點 都帶有各自的存儲子系統(tǒng)（EEPROM, SRAM, SDRAM Flash等），用于存儲程序、計算數(shù)據(jù)、配置信息 等：計算節(jié)點通過接口模塊與可靈構(gòu)控制器連接, 由可重構(gòu)控制器控制完成不同軟件的加載.根據(jù) 加載的軟件不一樣，計算節(jié)點獨立完成各自的計 算任務(wù)既可

7、以形成多個單獨的計算機，也可以構(gòu) 成SMP并行處理、容錯計算尊不同體系結(jié)構(gòu)的計 算機.計算節(jié)點中毎個CPU都可獨立運行操作系 統(tǒng)及應(yīng)用軟件，砍件均存于存儲子系統(tǒng)的可擦寫 EEPROM中，在可重構(gòu)控制器及操作系統(tǒng)的管理 下，處理模塊能對EEPROU. flash尊非易失存儲 器進行重注入，對算法部件進行硬件直構(gòu)，從而 達到在線更新軟硬件的目的.3.3可重構(gòu)控制器可16構(gòu)控制器（多形態(tài)FPGA陣列）負責(zé)控制 任務(wù)，它主要接吹多形態(tài)管理節(jié)點的指令，完成 計算節(jié)點軟件加莪、多形態(tài)管理模塊設(shè)置等任務(wù)， 同時實現(xiàn)SMP并行和容錯結(jié)構(gòu)下的計算節(jié)點間數(shù) 據(jù)交換、數(shù)據(jù)同步和容錯管理.可賣構(gòu)控制器主 要包含PCI

8、總線接口、多形態(tài)管理模塊、容錯模 塊、并行數(shù)據(jù)交換單元、存儲訪問控制單元和軟 件加敦單元等模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖2可構(gòu)控制容結(jié)構(gòu)3.3.1多形杏管理模塊多形態(tài)管理模塊是多形態(tài)可重構(gòu)計算機系統(tǒng) 中最重要的模塊，主要由可霓構(gòu)模塊、重構(gòu)互連 模塊和可重構(gòu)橋接模塊組成.多形態(tài)管理模塊可重構(gòu)的橋接模塊圖3多形態(tài)管理模塊組成可重構(gòu)模塊用于實現(xiàn)對計算節(jié)點的動態(tài)配 置，可以根據(jù)應(yīng)用任務(wù)的需要修改計算節(jié)點算法 部件的功能和大部分軟件功能；當(dāng)計算節(jié)點的算 法部件發(fā)生暫時故障或CPU發(fā)生持續(xù)運行錯誤 時，可貳新配置計算節(jié)點的算法部件或軟件功能。 可賣構(gòu)模塊的配置過理由管理節(jié)點發(fā)起.配宵數(shù) 據(jù)可存于全局存儲器、管

9、理節(jié)點的局部存儲系統(tǒng) 或FPGA的局部存儲系統(tǒng)中：管理節(jié)點通過配置 指定可靈構(gòu)模塊功能后，可以向該模塊傳送命令 啟動并完成一定數(shù)據(jù)集在可塑構(gòu)模塊上的快速處 理.覓構(gòu)互連模塊是整個多形態(tài)可重構(gòu)計算機 系統(tǒng)的核心，該模塊負責(zé)把來自各個計算節(jié)點、 可重構(gòu)模塊的各類總線轉(zhuǎn)換為一致的內(nèi)部互連， 以提供模塊間高速的數(shù)據(jù)傳輸通道；并可以根據(jù) 應(yīng)用任務(wù)的襦要，改變互連的方式，提供Crossbar 交換、總線交換、環(huán)形交換、共享內(nèi)存交換等多 種網(wǎng)絡(luò)交換形式，從而構(gòu)成SMP結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng) 或者集群及容錯系統(tǒng).除此以外，重構(gòu)互連模塊 還負責(zé)控制系統(tǒng)中所有可重構(gòu)模塊配置數(shù)據(jù)的傳 輸和具體的配置過程：它負責(zé)解析系統(tǒng)定義

10、的各 種配置命令和處理命令，進行沖突仲裁、資源分 配和保護，并記錄傳輸狀態(tài).可重構(gòu)橋接模塊用于實現(xiàn)主處理器存儲總 線或I/O總線（如PCI）到特定I/O接口的轉(zhuǎn)接。 模塊由進行總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的橋接部件及特定I/O 接口控制器兩部分組成，使得多形態(tài)可熏構(gòu)計算 機系統(tǒng)對外提供統(tǒng)一的I/O接口，提高了對外連接 的適應(yīng)性.3.3.2容錯模塊容錯模塊通過監(jiān)控總線（如I2C, CAN, SPI 等）控制其他模塊的運行狀態(tài)，進行容錯管理；容 錯模塊監(jiān)控每個計算節(jié)點的運行狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)某 個計算節(jié)點運行異常，則通知管理節(jié)點，由管理 節(jié)點控制可重構(gòu)控制器對該計算節(jié)點進行軟件重 注入，更新該節(jié)點的軟件功能（操作系統(tǒng)或

11、應(yīng)用程 序），并使該節(jié)點重啟執(zhí)行.如該節(jié)點持續(xù)故障， 則容錯模塊將対該計算節(jié)點實施隔離，并控制系 統(tǒng)降級使用。3.3.3并行數(shù)據(jù)交換單元系統(tǒng)中各計算節(jié)點可獨立運行各自的處理任 務(wù)，通過顯式的消息傳遞共享并行數(shù)據(jù)交換單元 的存儲區(qū)，協(xié)同完成一個并行任務(wù).管理節(jié)點負 責(zé)管理I/O設(shè)備，也可以通過并行數(shù)據(jù)交換糧元 與其他計算節(jié)點交換來自或?qū)⑷ネ鵌/O的數(shù)據(jù)。 3.3.4軟件加載單元.根據(jù)管理節(jié)點從PCI總線上發(fā)來的指令，將 共享存儲中的軟件系統(tǒng)（包括擁作系統(tǒng)和應(yīng)用軟 件），加載到對應(yīng)的計算節(jié)點中.3. 3.5存儲訪問控制單元全局存儲模塊提供全局可見的存儲空間，在 硬件上，所有的處理節(jié)點均可訪問全部存

12、儲區(qū)域， 而在軟件上，所有處理器都把此存儲區(qū)域映射為 各自I/O空間的一部分.存儲訪問控制單元負責(zé) 全局存儲區(qū)域的劃分和管理，解決數(shù)據(jù)沖突，并 完成對全局存儲器的訪問控制，防止非法訪問， 提高系統(tǒng)的安全性和可慕性.3.3.6 PCI總線接口模塊PCI部總線接口模塊主要用于實現(xiàn)PCI總線協(xié) 議解析，實更PCI總線的master/slaver結(jié)構(gòu)。 3.4軟件結(jié)構(gòu)多形態(tài)可重構(gòu)計算機系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要分為固件層、操作系統(tǒng)支持層、可垂 構(gòu)虛擬層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層.itlTVA crto計算節(jié) CPU3多形H鞏軟件F應(yīng)nw皮用WF31 用檢M用沏鼓的“JU構(gòu)虐報層浮 MIM"

13、;*對W!圖4多形態(tài)可重構(gòu)計算機系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu) 3.4.1固件層固件是固化于硬件設(shè)備的軟件系統(tǒng)，負責(zé)在 計算機開機時檢測、初始化系統(tǒng)設(shè)備以及加載操 作系統(tǒng)。3.4.2操作系統(tǒng)支撐層操作系統(tǒng)支撐層主要是指板級支持包，是系 統(tǒng)啟動代碼和控制器驅(qū)動程序的集合.3.4.3可重構(gòu)虛擬層多形態(tài)可覓構(gòu)計算機系統(tǒng)主要通過可霓構(gòu)虛 擬層，根據(jù)任務(wù)需求，按照不同的虛擬方法和策 略，將同一個硬件平臺虛擬成不同的架構(gòu)，如流 水架構(gòu)、分組操作架構(gòu)、具有容錯能力的單一節(jié) 點架構(gòu)以及并行處理架構(gòu)等，提交給上層的操作 系統(tǒng).從而消除真實計算中軟件與硬件之間的緊 密耦合關(guān)系，做到根據(jù)用戶的需求提供服務(wù)，實 現(xiàn)按需計算的要求.

14、3.4. 4操作系統(tǒng)層管理節(jié)點和計算節(jié)點在操作系統(tǒng)層上稍有區(qū) 別.管理節(jié)點采用通用的操作系統(tǒng)，支持對稱多 處理，支持內(nèi)存訪問和存儲管理，向上提供編譯 環(huán)境，實現(xiàn)應(yīng)用程序的并行處理.計算節(jié)點則主 要根據(jù)應(yīng)用的具體需要，根據(jù)可重構(gòu)虛擬層選擇 的不同架構(gòu)，由可重構(gòu)控制器從主存儲器中相應(yīng) 加敦操作系統(tǒng).3.4.5應(yīng)用軟件層管理節(jié)點主要利用應(yīng)用軟件層上的多形態(tài)管 理軟件實現(xiàn)對可重構(gòu)控制器的控制，同時具備容 錯機制，可以實現(xiàn)操作的同步、心跳檢測、故障 檢測等多種功能.計算節(jié)點根據(jù)應(yīng)用的需要以及 架構(gòu)的選擇，由可重構(gòu)控制器從主存儲器中加錢 不同的應(yīng)用程序.3.5總線、接口的動態(tài)配置總線及接口設(shè)計迢否合理宜接

15、影響著系統(tǒng)的 性能和可重構(gòu)特性，因此，總線和接口的設(shè)計就 成為多形態(tài)可重構(gòu)計算的一個非常關(guān)鍵的問題。 各處理器模塊均可對外提供基本的系統(tǒng)接口（如 I2C、串口等），月于調(diào)試監(jiān)控等.此外，為了滿 足應(yīng)用環(huán)境的動態(tài)變化，多形態(tài)可重構(gòu)計算機可 以根據(jù)任務(wù)的不同和系統(tǒng)規(guī)模的變化，通過軟件 的方式實現(xiàn)多個總線和接口的動態(tài)配置，對外提 供統(tǒng)一的I/O接口.各種總線和接口，如CPCI總 線、CAN總線、Infiniband總線、以太網(wǎng)接口等， 不論規(guī)模大小、規(guī)模各異，都可以動態(tài)配置到FPGA 器件上，提高了對外連接的適應(yīng)性，以滿足不同 應(yīng)用的需要.4總結(jié)本文提出了一種多形態(tài)動態(tài)計算機新型體系 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能

16、夠根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的要求，動態(tài)調(diào) 整架構(gòu)，滿足各種不同類型應(yīng)用對計算平臺的需. 求.該結(jié)構(gòu)在體系結(jié)構(gòu)級，通過調(diào)整各個芯片之 間的互連關(guān)系，可以針對特定應(yīng)用要求更合理地 分配資源，實現(xiàn)靈活的軟硬件劃分，形成可重構(gòu) 并行、集群或容錯系統(tǒng)：在部件級，在可重構(gòu)控 制器及操作系統(tǒng)的管理下，可以對計算節(jié)點進行 靜態(tài)或動態(tài)配置，定制程序需要的特定功能，對 算法部件進行硬件重構(gòu)，達到在線更新軟硬件的 目的；在I/O接口級，可以根據(jù)任務(wù)的不同和系 統(tǒng)規(guī)模的變化，實現(xiàn)各種總線和接口的動態(tài)重構(gòu) 配置。此外，系統(tǒng)具有遠程垂構(gòu)的功能，可以利 用I/O模塊接收遠端僉令，傳輸新的配置數(shù)據(jù)或 軟件到管理節(jié)點，由管理節(jié)點利用可朿構(gòu)

17、控制器 完成算法部件和軟件的重構(gòu)。參考文獻：1 Margenn StReconfigurable Computing in Real-World Applications,http7/ 0060207_cray.pdf2 Ramos J and Brenner D.t Environmentally Adaptive Fault Tolerant Computing (EAFTC): An Enabling Technology for COTS based Space Computing . Proceedings nf the 2004 IEEE Aerospace Conference.

18、 Big Sky. MN, March 8-15,20043 Xilinx Using a Microprocessor to Configure Xilinx FPGAs via Slave Serial or SelectMAP Mode XAPP5O2, (vl.4) edition. November, 13 20024 Orbita Inc.t 32-bit SPSRC V8 Embedded Processor (SAILING S698) User*s Manual (2005-05-04). httpy/5 Miyamori T. and Olukcttin A,A Quantitative Analysis of Reconf