本發(fā)明涉及嵌入式可重構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)的自適硬件預(yù)配置控制器。

背景技術(shù)：

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ?jì)算平臺(tái)的要求也不斷提高。傳統(tǒng)的專用集成電路計(jì)算雖然具有很高的能效比，但高度的定制性使得其靈活性不足。DSP處理器雖然具有很強(qiáng)的靈活性，但由于有限的運(yùn)算單元個(gè)數(shù)使其性能無法滿足要求?？芍貥?gòu)計(jì)算作為一種新型的計(jì)算模式，獲得了越來越廣泛的關(guān)注，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括多媒體處理、移動(dòng)通信、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)加解密等?？芍貥?gòu)計(jì)算實(shí)質(zhì)上是通過利用對(duì)硬件資源進(jìn)行多次重復(fù)配置的特性，在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地改變系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，再加之大量的計(jì)算資源，使其兼顧高性能、靈活、硬件資源可復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)?？芍貥?gòu)系統(tǒng)大多由可重構(gòu)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和具有硬件管理功能的配置控制單元構(gòu)成的。配置控制單元可通過動(dòng)態(tài)調(diào)度和更新配置信息，將不同應(yīng)用領(lǐng)域上的不同計(jì)算任務(wù)映射到可重構(gòu)計(jì)算單元上。

由于可重構(gòu)陣列內(nèi)部具有多個(gè)計(jì)算單元，只有充分挖掘算法的并行度，在有限的陣列規(guī)模和路由結(jié)構(gòu)上完成算法的映射才能不影響硬件的加速比。由于不同算法計(jì)算特征的差異，單一的可重構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)不能滿足不同算法的需求，從而導(dǎo)致陣列內(nèi)部計(jì)算單元的執(zhí)行效率較低，其主要原因是陣列路由及規(guī)模等方面，無法滿足算法的特征，導(dǎo)致陣列利用率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，本發(fā)明提供一種用于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)的自適硬件預(yù)配置控制器，通過對(duì)陣列的規(guī)模和路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)配置，選擇最優(yōu)陣列架構(gòu)，大大提高系統(tǒng)的靈活性和性能。

技術(shù)方案：一種用于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)的自適硬件預(yù)配置控制器，通過多個(gè)計(jì)算邏輯共同組成一個(gè)完整的最優(yōu)架構(gòu)選擇器，并向陣列發(fā)送相應(yīng)的預(yù)配置信息，對(duì)陣列的規(guī)模和路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)配置，使得可重構(gòu)陣列計(jì)算架構(gòu)在靈活度和專用性能上達(dá)到更好的平衡。

基于傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列和陣列配置信息控制器，增加了一個(gè)用于預(yù)先配置陣列規(guī)模和路由結(jié)構(gòu)的自適硬件預(yù)配置控制器。所述的自適硬件預(yù)配置控制器可以根據(jù)主控控制器輸入的應(yīng)用類型和參數(shù)，通過陣列規(guī)模計(jì)算邏輯將動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列配置為四種不同的規(guī)模模式，通過路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯將動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列配置為四種不同的路由模式。通過不同的預(yù)配置，使動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下均可以高效運(yùn)行。

所述的自適硬件預(yù)配置控制器，其結(jié)構(gòu)包括：陣列規(guī)模計(jì)算邏輯，路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯，預(yù)配置信息緩存單元，預(yù)配置信息發(fā)送控制單元和預(yù)配置信息輸出接口；

所述的陣列規(guī)模計(jì)算邏輯：用于計(jì)算特定應(yīng)用場(chǎng)景在不同陣列規(guī)模模式下的計(jì)算周期數(shù)，并選取性能最優(yōu)的陣列規(guī)模；

所述的路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯：用于計(jì)算特定應(yīng)用場(chǎng)景在不同陣列路由模式下的流水線氣泡周期數(shù)，并選取性能最優(yōu)的路由結(jié)構(gòu)；

所述的預(yù)配置信息緩存單元：用于存儲(chǔ)不同陣列規(guī)模模式和路由模式組合下的陣列架構(gòu)對(duì)應(yīng)的預(yù)配置信息；

所述的預(yù)配置信息發(fā)送控制單元：用于根據(jù)陣列規(guī)模計(jì)算邏輯和路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯的選擇結(jié)果控制預(yù)配置信息輸出接口將預(yù)配置信息緩存單元中最優(yōu)陣列規(guī)模模式和最優(yōu)路由模式組合而成的最優(yōu)陣列架構(gòu)所對(duì)應(yīng)的預(yù)配置信息發(fā)送到某個(gè)或某幾個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列；

所述的預(yù)配置信息輸出接口：用于輸出所選取的預(yù)配置信息緩存單元中的預(yù)配置信息。

所述的自適硬件預(yù)配置控制器應(yīng)用于可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)中，可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)包括主控控制器、片上存儲(chǔ)器、系統(tǒng)總線、N(N>＝1，N為正整數(shù))個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列、陣列配置信息控制器和自適硬件預(yù)配置控制器。

所述的主控控制器，用作系統(tǒng)的主控核，通過系統(tǒng)總線分別與動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列、陣列配置信息控制器和自適硬件預(yù)配置控制器相連，發(fā)送指令控制動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行；

所述的片上存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)所需要的計(jì)算數(shù)據(jù)以及配置信息；

所述的自適硬件預(yù)配置控制器，用于根據(jù)主控控制器輸入的應(yīng)用類型和參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列的陣列規(guī)模模式和路由模式進(jìn)行選擇，同時(shí)將組合后最優(yōu)架構(gòu)所對(duì)應(yīng)的配置信息發(fā)送至某個(gè)或某幾個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列，完成對(duì)陣列規(guī)模和路由結(jié)構(gòu)的預(yù)配置；

根據(jù)應(yīng)用類型和參數(shù)，通過陣列規(guī)模計(jì)算邏輯計(jì)算特定應(yīng)用場(chǎng)景在不同陣列規(guī)模模式下的計(jì)算周期數(shù)，并選取性能最優(yōu)的陣列規(guī)模；通過路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯計(jì)算特定應(yīng)用場(chǎng)景在不同陣列路由模式下的流水線氣泡周期數(shù)，并選取性能最優(yōu)的路由結(jié)構(gòu)；預(yù)配置信息發(fā)送控制單元根據(jù)陣列規(guī)模計(jì)算邏輯和路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯的選擇結(jié)果控制預(yù)配置信息輸出接口將預(yù)配置信息緩存單元中最優(yōu)陣列規(guī)模模式和最優(yōu)路由模式組合而成的最優(yōu)陣列架構(gòu)所對(duì)應(yīng)的預(yù)配置信息發(fā)送到某個(gè)或某幾個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列，完成對(duì)陣列規(guī)模和路由結(jié)構(gòu)的預(yù)配置；

所述的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列，用作可重構(gòu)系統(tǒng)的計(jì)算核心，可通過自適硬件預(yù)配置控制器的預(yù)配置信息輸出接口將配置信息加載至動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列內(nèi)部，完成對(duì)陣列自身結(jié)構(gòu)和內(nèi)部計(jì)算單元計(jì)算功能的配置；

所述的陣列配置信息控制器，用于針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)已經(jīng)預(yù)配置過的某個(gè)或某幾個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列的每個(gè)計(jì)算單元的數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算操作、數(shù)據(jù)輸出等進(jìn)行配置，完成算子映射。

進(jìn)一步的，所述的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列，可由自適硬件預(yù)配置控制器將其配置成4種陣列規(guī)模模式：模式一：每個(gè)陣列內(nèi)包含8*8個(gè)計(jì)算單元，模式二：每個(gè)陣列內(nèi)包含4*8個(gè)計(jì)算單元，模式三：每個(gè)陣列內(nèi)包含2*8個(gè)計(jì)算單元，模式四：每個(gè)陣列內(nèi)包含4*4個(gè)計(jì)算單元，以完成不同算法數(shù)據(jù)流圖的切割及映射，提高計(jì)算資源利用率。

陣列規(guī)模計(jì)算邏輯的預(yù)配置方式的調(diào)用選擇主要基于以下公式實(shí)現(xiàn)：

計(jì)算周期數(shù)＝核心迭代計(jì)算單元計(jì)算周期數(shù)×迭代計(jì)算次數(shù)+循環(huán)前綴后綴

在判斷中，將四種不同規(guī)模下的計(jì)算周期數(shù)進(jìn)行對(duì)比，選擇周期數(shù)最小的陣列規(guī)模并發(fā)送相應(yīng)的陣列規(guī)模硬件參數(shù)給預(yù)配置信息發(fā)送控制單元，以調(diào)用相應(yīng)預(yù)配置信息，對(duì)陣列規(guī)模進(jìn)行預(yù)配置。

路由結(jié)構(gòu)模式包含以下四種：路由模式一：總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)；路由模式二：鄰近互聯(lián)結(jié)構(gòu)；路由模式三：行列跨步互聯(lián)結(jié)構(gòu)；路由模式四：層次網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

其中，路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯的預(yù)配置方式調(diào)用選擇主要基于以下公式實(shí)現(xiàn)：

在判斷中，將四種不同路由結(jié)構(gòu)的流水氣泡周期數(shù)進(jìn)行對(duì)比，選擇周期數(shù)最小的路由結(jié)構(gòu)并發(fā)送相應(yīng)的陣列路由結(jié)構(gòu)硬件參數(shù)給自適硬件預(yù)配置控制器的預(yù)配置信息發(fā)送控制單元，以調(diào)用相應(yīng)的預(yù)配置信息，對(duì)陣列路由進(jìn)行預(yù)配置。

進(jìn)一步的，所述的主控控制器輸入的應(yīng)用類型包括快速傅里葉變換、有限沖激響應(yīng)濾波和矩陣運(yùn)算；所述的主控控制器輸入的參數(shù)包括應(yīng)用類型的計(jì)算規(guī)格、流水線關(guān)鍵路徑計(jì)算類型和計(jì)算單元間數(shù)據(jù)傳輸需求。

附圖說明

圖1為動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖；

圖2為自適硬件預(yù)配置控制器的結(jié)構(gòu)框架圖；

圖3為動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列4種陣列規(guī)模的模式圖；

圖4為動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列4種路由結(jié)構(gòu)的模式圖；

圖5為自適硬件預(yù)配置控制器的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的，以4個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列為例，包括：主控控制器，用作系統(tǒng)的主控核，通過系統(tǒng)總線分別與4個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列、陣列配置信息控制器和自適硬件預(yù)配置控制器相連，發(fā)送指令控制動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行；

動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列，用作可重構(gòu)系統(tǒng)的計(jì)算核心，可通過自適硬件預(yù)配置控制器的預(yù)配置信息輸出接口將預(yù)配置信息加載至內(nèi)部，進(jìn)行對(duì)陣列自身規(guī)模、計(jì)算單元間的路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)配置，繼而對(duì)每個(gè)計(jì)算單元功能進(jìn)行配置；自適硬件預(yù)配置控制器，用于對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列的陣列規(guī)模和路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合，選擇并發(fā)送最優(yōu)陣列架構(gòu)對(duì)應(yīng)的預(yù)配置信息至動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列；陣列配置信息控制器，用于針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景的具體算子對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列的每個(gè)計(jì)算單元的數(shù)據(jù)來源、計(jì)算功能及計(jì)算結(jié)果的輸出進(jìn)行配置，完成算子映射。

其中，自適硬件預(yù)配置控制器的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由陣列規(guī)模計(jì)算邏輯，路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯，預(yù)配置信息緩存單元、預(yù)配置信息發(fā)送控制單元和預(yù)配置信息輸出接口緊耦合組成；

陣列規(guī)模計(jì)算邏輯：用于計(jì)算特定算子在4種陣列規(guī)模下的計(jì)算周期數(shù)，比較后選擇性能最優(yōu)的陣列規(guī)模，并發(fā)送相應(yīng)的陣列規(guī)模選擇信號(hào)給預(yù)配置信息發(fā)送控制單元；路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯：用于計(jì)算特定算子在4種路由結(jié)構(gòu)下的無法傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)和暫存寄存器并發(fā)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)之商，即流水線氣泡周期數(shù)，比較后選擇性能最優(yōu)路由結(jié)構(gòu)，并發(fā)送相應(yīng)的路由結(jié)構(gòu)選擇信號(hào)給預(yù)配置信息發(fā)送控制單元；預(yù)配置信息緩存單元：用于存儲(chǔ)所有陣列規(guī)模和路由結(jié)構(gòu)組合下的陣列架構(gòu)的預(yù)配置信息；預(yù)配置信息發(fā)送控制單元：用于根據(jù)陣列規(guī)模計(jì)算邏輯和路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯的選擇結(jié)果控制預(yù)配置信息輸出接口將預(yù)配置信息緩存單元中陣列規(guī)模和路由結(jié)構(gòu)的最優(yōu)組合所對(duì)應(yīng)的預(yù)配置信息發(fā)送到某個(gè)或某幾個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列；預(yù)配置信息輸出接口用于輸出所選取的預(yù)配置信息。

陣列規(guī)模計(jì)算邏輯可針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景及計(jì)算性能需求調(diào)用4種不同模式陣列規(guī)模所對(duì)應(yīng)的預(yù)配置信息，以將某個(gè)或某幾個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列預(yù)配置為相應(yīng)的陣列規(guī)模。如圖3和圖4所示，圖3和圖4分別為動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列規(guī)模及路由結(jié)構(gòu)的模式圖，其中陣列規(guī)模包括：8*8、4*8、2*8和4*4四種模式，路由結(jié)構(gòu)包括總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)，鄰近互聯(lián)結(jié)構(gòu)，行列跨步互聯(lián)結(jié)構(gòu)和層次網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu)四種模式。其中，陣列規(guī)模計(jì)算邏輯的預(yù)配置方式調(diào)用選擇主要基于以下公式實(shí)現(xiàn)：

計(jì)算周期數(shù)＝核心迭代計(jì)算單元計(jì)算周期數(shù)×迭代計(jì)算次數(shù)+循環(huán)前綴后綴

在判斷中，將四種不同規(guī)模下的計(jì)算周期數(shù)進(jìn)行對(duì)比，選擇周期數(shù)最小的陣列規(guī)模并發(fā)送相應(yīng)的陣列規(guī)模硬件參數(shù)給預(yù)配置信息發(fā)送控制單元，以調(diào)用相應(yīng)預(yù)配置信息，對(duì)陣列規(guī)模進(jìn)行預(yù)配置。

路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯可針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景及計(jì)算性能需求調(diào)用4種不同的計(jì)算單元互聯(lián)結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的預(yù)配置信息，以將某個(gè)或者某幾個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列預(yù)配置為相應(yīng)的路由結(jié)構(gòu)模式。

其中，路由結(jié)構(gòu)模式包含以下四種：路由模式一：總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)；路由模式二：鄰近互聯(lián)結(jié)構(gòu)；路由模式三：行列跨步互聯(lián)結(jié)構(gòu)；路由模式四：層次網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

其中，路由結(jié)構(gòu)計(jì)算邏輯的預(yù)配置方式調(diào)用選擇主要基于以下公式實(shí)現(xiàn)：

在判斷中，將四種不同路由結(jié)構(gòu)的流水氣泡周期數(shù)進(jìn)行對(duì)比，選擇周期數(shù)最小的路由結(jié)構(gòu)并發(fā)送相應(yīng)的陣列路由結(jié)構(gòu)硬件參數(shù)給預(yù)配置信息發(fā)送控制單元，以調(diào)用相應(yīng)預(yù)配置信息，對(duì)陣列路由進(jìn)行預(yù)配置。

如圖5所示，自適硬件預(yù)配置控制器的工作流程圖，主控控制器初始化動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列計(jì)算系統(tǒng)并根據(jù)所要處理的算法類型發(fā)送控制信號(hào)給自適硬件預(yù)配置控制器，自適硬件預(yù)配置控制器的計(jì)算邏輯選擇出最優(yōu)陣列架構(gòu)(即，計(jì)算周期數(shù)最小的陣列規(guī)模，流水氣泡周期數(shù)最小的路由結(jié)構(gòu))，并由預(yù)配置信息輸出接口發(fā)送相應(yīng)的預(yù)配置信息至某個(gè)或某幾個(gè)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算陣列完成陣列硬件架構(gòu)的預(yù)配置，繼而陣列配置信息控制器對(duì)已有陣列架構(gòu)的每個(gè)計(jì)算單元進(jìn)行配置，將具體算法映射到現(xiàn)有的陣列硬件結(jié)構(gòu)上完成計(jì)算。