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1、国防科学技术大学 硕士学位论文 粗粒度可重构体系结构建模方法研究与实现 姓名：周光华 申请学位级别：硕士 专业：计算机科学与技术 指导教师：李思昆 2010-11 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 传统计算结构包括指令集通用处理器和专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit ASIC）， 前者灵活性好， 但无法满足特定应用领域的实时性要求， ASIC 具有良好的性能，但其结构针对性强，无法适应应用领域的任务扩展。可重 构计算结构的产生是为了填补通用处理器和 ASIC 的不足， 能够针对应用需求自适 应的构造内部硬件结构，
2、从而同时获取更好的处理性能和灵活性。根据重构粒度， 可重构计算结构有粗粒度和细粒度之分。 粗粒度可重构结构（Coarse-Grain Reconfi gurable Architectures CGRA）设计空 间探索（Design Space Exploration DSE）复杂，需要在较高的系统抽象层次实施设 计决策。 本文重点研究体系结构描述语言 （Architecture Description Language ADL） 驱动 CGRA 设计空间探索的几个关键问题，本文主要工作和贡献如下： 1、根据 CGRA 特殊的结构特征和计算特征，提出一种 CGRA 的 ADL 建模方 法。分别
3、从 CGRA 的结构特征和计算特征两个方面探讨 CGRA 的 ADL 建模方法， 提出以功能配置操作和互联配置操作建立 CGRA 的功能行为模型，以两类操作对 结构资源的使用信息建立 CGRA 的结构模型。通过形式化分析，证明本文所提建 模方法对 CGRA 具有较好的适应性。简要介绍了本文作者所在课题组提出的名为 ProDFA 的 CGRA，基于本文提出的建模方法设计了 ProDFA 微结构的建模方案。 2、基于 Trimaran 编译模拟框架，设计实现了 ProDFA 的 ADL 模型。本文以 Trimaran 编译模拟框架作为 ADL 驱动 CGRA 设计空间探索的实现工具链，依据 Tri
4、maran框架目前支持的体系结构空间，简要设计了 ProDFA 的粗粒度功能集，采 用体系结构描述语言 HMDES 实现了 ProDFA 的 ADL 模型。设计实验方案，验证 了本文所提建模方法的有效性以及采用 Trimaran 框架作为实现工具链的可行性。 为下一步定制 ProDFA 粗粒度功能集和编译映射研究工作打下了良好的基础。 3、面向密码处理应用领域实例化 ProDFA 结构，设计实现了 ProDFA 实例化 结构的系统级模拟器。 基于开源指令集模拟器， 设计 ProDFA 实例化结构的系统级 模型， 初步实现了密码处理算法 AES 和 DES 的可重构处理系统， 取得了统计结果。
5、有益于下一步精确设计 ProDFA 模拟器和扩展 Trimaran支持的体系结构空间。 本文的工作和已取得的成果对于ADL驱动CGRA设计空间探索方法的研究具 有一定的实践意义和借鉴意义。 主题词：粗粒度可重构结构，ADL 驱动设计空间探索， HMDES，系统级模 拟器 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT Traditional computer architecture includes general-purpose processor and ASIC(Application Specific Integrated Circuits). The form
6、er, with good flexibility, but can not meet the specific requirements of real-time applications. In contrast, the ASIC could get high-performance, but it cant implement a viarity of tasks for its fixed structure. Reconfigurable computing structure created in order to fill the lack of general-purpose
7、 processor and ASIC, application requirements can be adaptive for the construction of the internal hardware structure to obtain high processing performance and flexibility. Reconfigurable computing structure can be classified as coase-grain and fine-grain according to reconfigurable granularity. Com
8、plex DSE(Design Space Exploration) of CGRA(Coarse-Grain Reconfigurable Architectures) requires a higher level of abstraction to implement the system design decisions early. The thesis focuses on the research of the key problem of ADL(Architectrue Description Language) driven CGRA DSE. The primary wo
9、rk and contributions of the thesis include following three parts: Firstly, we proposed a novel ADL modeling method for CGRA, with special structure and computing property. Respectively, we discussed the modeling method about structure and computing features of CGRA, and proposed function configure o
10、peration and interconnect configure operation to model CGRA function and behavior, with the resource used by them to model CGRA structure. Through analysis, we showed that the proposed modeling method has good adaptability to CGRA. Then brifly introduced the CGRA called ProDFA proposed by our resear
11、ch group, and designed the model of ProDFA microarchitecture based thesis method. Secondly, Designing and Implementing ADL model for ProDFA based on compiler and simulator framework Trimaran. We chose the Trimaran as implementation toolchain for ADL driven CGRA DSE. We implemented ProDFA ADL model w
12、ith HMDES, by designing simple coarse-grain function of ProDFA with the architechture space supported by Trimaran currently. And then, Experiment was designed to verify the validation of the proposed modeling method and the use of Trimaran framework as the feasibility of implementation toolchain. Th
13、is work had laid a solid foundation for the next research work about ProDFA coarse-grain function custom and compiling and mapping strategy. Last, we instantiated ProDFA structure to cipher processing application, and implemented a system-level simulator. By implementing the cipher arithmetic AES an
14、d DES reconfigurable system in the system-level model which is based on open instruction set simulator, we got some propert statistics. It was helpful for designing ProDFA accurate simulator and expanding the architecture space supported by 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 iii 页 Trimaran. The achievements of th
15、is paper have important practical and realistic significance to the research work of ADL diven CGRA design space exploration. Key Words：CGRA, ADL Driven DSE, HMDES, System-Level Simulator 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 1 软件工具与体系结构模型关系 11 表 2 整型操作的具体定义 47 表 3 简化的粗粒度功能单元功能集 49 表 4 理论值和实验统计量对比表 56
16、表 5 性能参数统计信息表 64 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 1 灵活性与性能对比图 1 图 2 简单的粗粒度可重构阵列 5 图 3 硬件设计传统抽象层次 7 图 4 模型驱动的可重定向软件工具设计 10 图 5 ADL 驱动的 CGRA 设计空间探索 . 12 图 6 ProDFA 的两种全局结构 . 16 图 7 ProDFA 的微体系结构 . 17 图 8 ProDFA 的几种运算结构 . 19 图 9 HMDES 标准模型框架 . 24 图 10 CGRA 处理元素框图 . 26 图 11 IC_CO 使用过程 . 30 图 12 操作与资源的关系 32 图 13 互联操作与资源的关系 32 图 14 CGRA 的互联结构 . 33 图 15 某次配置生成的互联结构 38 图 16 体系结构模型操作层次 39 图 17 Trimaran 框架结构 . 42 图 18 定制的 ECIP 体系结构图 45 图 19 典型的 VLIW ASIP 体系结构 45 图 20 ProDFA 的映射结构 . 52 图 21 ProDFA 的 HM
