可配置計算又稱為自適應(yīng)計算。它是由多個具有可重配置" title="可重配置">可重配置功能的功能單元(PE)和可以配置不同數(shù)據(jù)傳遞方向的連接線路一起構(gòu)成的計算機結(jié)構(gòu)，如圖1所示?，F(xiàn)在，可重配置計算主要分為兩類：細粒度配置和粗粒度配置。細粒度配置計算主要體現(xiàn)在FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯陣列)，它在數(shù)字邏輯芯片開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計等方面應(yīng)用非常廣泛，但由于細粒度的原因，其實際邏輯單元僅占實際芯片面積的10%，其余被開關(guān)、RAM、布線網(wǎng)絡(luò)所占有，功耗和工作頻率都不是非常理想，在處理一些規(guī)則運算，如乘法時效率不高。相對的，粗粒度配置計算的粒度一般為4、8、16、32位，非常適合進行算法級操作^[1～3]。試想一下，如果要處理10000×20000像素的圖片，用現(xiàn)在的計算機能夠?qū)崟r完成嗎？但應(yīng)用粗粒度可配置計算結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算機能夠完成。在數(shù)字信號處理領(lǐng)域，算法一般都遵循90/10的規(guī)律。即在一個算法中，90%是重復(fù)單一或類似功能的規(guī)則操作，不規(guī)則的靜態(tài)操作只占10%。如果針對算法中的規(guī)則操作設(shè)計處理單元(PE)，并通過多個處理單元(PE)組成網(wǎng)絡(luò)進行并行計算，在功耗比較小時，其計算能力或者說處理速度將非常快，能夠完成大數(shù)據(jù)量、大運算量的算法。同時隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，特別是SOC(單芯片系統(tǒng)集成)技術(shù)的興起，在一個芯片中，可以很容易集成幾百萬門的電路,為粗粒度可配置計算的研究和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1 粗粒度可配置結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)處理" title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理
　　在可重配置計算中，一般提供了配置過程和計算過程。根據(jù)計算任務(wù)的不同，首先對處理單元和連接網(wǎng)絡(luò)進行相應(yīng)的配置，之后再對數(shù)據(jù)流進行計算。圖2是傳統(tǒng)的處理器與粗粒度可重配置結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理流程的比較。從圖2中可以看到，馮.諾曼類型的指令流被配置流和數(shù)據(jù)流所代替。粗粒度可配置計算結(jié)構(gòu)將軟件的靈活與硬件的高速結(jié)合在一起，從嶄新的角度設(shè)計數(shù)字信號處理器。與傳統(tǒng)的處理器相比，具有以下特點：
　　(1)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的指令流被配置流所代替，不再是單個指令的乘加或移位運算，而是不同功能如濾波、FFT、矩陣相乘等的順序執(zhí)行。
　　(2)各單元功能可以配置，與傳統(tǒng)的處理器指令不同，設(shè)計全新的配置指令。通過配置為不同功能單元的組合，完成相應(yīng)的功能。由于是用硬件實現(xiàn)各功能，功耗低。
　　(3)不存在傳統(tǒng)處理器從RAM中讀取指令問題，且結(jié)構(gòu)中有多個RAM區(qū)和I/O可用，可有效解決馮.諾曼瓶頸，加快數(shù)據(jù)處理速度。
　　(4)多個單元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，鏈路可配，具有極強的并行處理" title="并行處理">并行處理能力。將編譯之后的算子網(wǎng)表與實際結(jié)構(gòu)中的處理單元一一對應(yīng)的過程是映射與路徑尋優(yōu)的過程，主要指map(映射)、place(放置)、route(路由)三步。涉及的優(yōu)化算法主要有：模擬退火算法、遺傳算法、談判擁塞算法等。
2 發(fā)展現(xiàn)狀
　　粗粒度重配置計算最早見于20世紀60年代，是Gerald Estrin教授提出的“固定加可變結(jié)構(gòu)計算機^[4]”，但因為受當時芯片制造水平的限制，只是一個概念而已。進入90年代，隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)技術(shù)的發(fā)展，以“可編程開關(guān)(program switch)”為基礎(chǔ)的粗粒度可配置計算結(jié)構(gòu)不斷被開發(fā)出來，并在圖像濾波、特征提取、目標識別與跟蹤、通訊算法等方面展示出了非凡的性能與潛力^[5～9]。表1^{[5，10，11]}列出的是國外部分粗粒度計算項目，國內(nèi)此項研究尚未見報道。在商業(yè)應(yīng)用中，做得比較好的是PACT 極端并行處理公司，其包含64個PE的XPP64A1在主頻200MHz時MAC(乘加)運算已經(jīng)達到了12.8GigaMACs/秒^[12]。

　　從表1可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的粗粒度可重配置計算都有其相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，沒有形成一個統(tǒng)一固定的模式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組織方式、粒度大小及編譯環(huán)境各不相同。開發(fā)高效通用的粗粒度計算結(jié)構(gòu)仍有一定的難度，這也是可配置計算結(jié)構(gòu)的重要研究方向。
3 未來的發(fā)展
　　粗粒度可配置計算將軟件的靈活與硬件的高效、低功耗結(jié)合在一起，利用硬件來實現(xiàn)軟件算法。雖然靈活性上要比DSP和計算機差一些，但計算效率和處理能力上卻有很大的提高。圖3 是數(shù)字信號處理領(lǐng)域目前各類器件性能的簡單比較。

　　此結(jié)構(gòu)芯片非常適合圖像數(shù)據(jù)處理，同時另一應(yīng)用方面——軟件無線電的硬件平臺，也正促進其發(fā)展。
　　現(xiàn)在，軟件無線電的研究在我國正不斷深入。其目標之一是將不同制式、不同頻段的信號利用單一器件進行接收和發(fā)送，并且越早地將射頻信號變?yōu)閿?shù)字信號進行處理越好。這一方面促進了智能天線和軟件接口協(xié)議的研究，另一方面也要求有高速低功耗、功能可變的硬件相配合?，F(xiàn)階段國內(nèi)應(yīng)用的硬件主要是DSP和計算機，它們在功耗和速度方面都不及粗粒度可配置計算。粗粒度可配置計算結(jié)構(gòu)，通過處理單元的配置、數(shù)據(jù)路徑的配置，使數(shù)據(jù)在流動中完成運算。在接近ASIC(專用集成電路)性能的同時，又具有一定的靈活性^[12～15]。應(yīng)用可配置計算系統(tǒng)，既可以更早地將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號進行處理，利于系統(tǒng)性能的提高，又可以進一步將其包裝為IP(知識產(chǎn)權(quán))核，與目前微電子正在興起的系統(tǒng)集成技術(shù)(SOC)相結(jié)合，形成單一系統(tǒng)芯片，適應(yīng)并促進我國無線通訊設(shè)備的改進，如圖4所示。

　　這是新的計算機結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)計算機的馮.諾曼瓶頸，結(jié)構(gòu)中固有的并行處理能力，使其具有非常好的性能。微電子技術(shù)的發(fā)展、芯片集成度的提高，為此結(jié)構(gòu)計算機的實現(xiàn)提供了可能。因此研究這種計算機結(jié)構(gòu)，對計算機科學的發(fā)展是有價值的。
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