CN102279753A - 可重构系统配置管理的方法及用于可重构系统的配置管理单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于可重构系统的配置管理单元，包括微处理阵列模块、片外存储接口模块和配置信息缓存模块；外部信号通过片外存储接口模块传输给微处理阵列模块，然后传输给配置信息缓存模块。从而提高了配置信息的处理效率。并提供了可重构系统配置管理的方法，采用三级流水的配置管理方法，改变了传统的粗粒度可重构系统中的配置管理方式，从而提高了复杂的粗粒度可重构系统的动态重构效率。

Description

可重构系统配置管理的方法及用于可重构系统的配置管理单元

技术领域

本发明涉及嵌入式可重构设计领域，具体地，涉及一种可重构系统配置管理的方法及用于可重构系统的配置管理单元。

背景技术

随着FPGA可重构技术的出现，大大改变了传统的嵌入式设计的方法，可重构计算作为一种新型时空域的计算模式，在嵌入式和高性能的计算领域具有广泛地应用前景，已经成为当前嵌入式系统发展的趋势。局部动态可重构技术的发展，代表了一种新的可重构设计思想，大多由微处理器与可重构硬件构成，可重构硬件可以采用FPGA的细粒度逻辑单元，也可以是特定功能的粗粒度模块，使得硬件功能的执行更加灵活，软硬件之间的鸿沟越发的不明显，硬件任务可以根据需求像软件任务一样灵活的调用和配置。但局部动态可重构系统如何利用软硬件协调运行处理来提高系统的能量利用已经成为了制约可重构技术发展的一个因素。

目前，传统的FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）中所包含的基本运算单元以位元（bit-level）为单位来处理数据，运算单元之间提供了非常丰富的互连资源，可以方便地实现复杂的时序与组合逻辑电路功能，因此灵活度很高。但是，在执行以字节为单位（word-level）的运算时，存在着诸多的缺点：互连成本开销大、芯片面积利用率低，从而导致系统的性能功耗比很低。

粒度是指可重构系统中所包含的基本运算单元的数据位宽度，它决定了可重构系统的数据处理能力。可重构系统的粒度可分为细粒度和粗粒度。一般将粒度不超过4位的称为细粒度，大于4位的称为粗粒度。细粒度可重构系统的通用性好，但配置通常很复杂，如FPGA。粗粒度可重构系统通常针对特定的应用领域（如多媒体处理等）设计，运算单元以及互连结构进行了优化，配置也要相对简单得多。与细粒度可重构系统不同，粗粒度可重构系统中所包含的基本运算单元，非常适合执行数据位宽为字节的数据运算，可以获得远比FPGA更好的能耗比。因此粗粒度可重构系统很好地弥补了上述细粒度可重构系统中存在的缺点，非常适合用来实现包含大量以字节为单位的运算的各类工程应用，主要包括：视频图像处理、数字信号处理、无线通信、数据加密等。

而随着粗粒度可重构阵列规模的不断扩大，阵列中需要被重构的计算单元的数目也越来越多，重构过程所需的配置信息数据量进一步增大，动态重构的时间也随之增加，在粗粒度可重构系统的设计中，配置信息的管理方法决定了动态重构的效率。传统的针对粗粒度可重构系统的配置信息管理方式不能及时、有效地将配置信息传输到粗粒度可重构阵列，从而限制了粗粒度可重构系统工作性能的提升。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种可重构系统配置管理的方法及用于可重构系统的配置管理单元，以实现提高复杂的粗粒度可重构系统动态重构效率的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于可重构系统的配置管理单元，包括微处理阵列模块、片外存储接口模块和配置信息缓存模块；外部信号通过片外存储接口模块传输给微处理阵列模块，然后传输给配置信息缓存模块。

根据本发明的优选实施例，所述微处理阵列模块，包括N个微处理单元、M个指令存储单元、邮箱阵列和控制单元，所述指令存储单元、邮箱阵列和控制单元均电连接在微处理单元上。

根据本发明的优选实施例，所述微处理单元，包括微处理器、指令高速缓存单元、本地存储单元、状态寄存器文件和控制寄存器文件，所述指令高速缓存单元、本地存储单元、状态寄存器文件和控制寄存器文件均和微处理器电连接在一起。

根据本发明的优选实施例，所述配置信息缓存模块包括配置字缓存、配置信息包缓存和配置信息包解释器。

根据本发明的优选实施例，所述微处理阵列模块：用于解析从外部存储器取得的指令块，得出需要在可重构处理单元上执行的子算法，并且生成配置字，并将该配置字输出到配置信息缓存模块；

所述片外存储接口模块：用于实现上述微处理阵列模块内微处理单元与外部存储器建立通信；

所述配置信息缓存模块：用于缓存上述微处理阵列生成的配置字、预取和缓存从外部存储器中预取到的配置信息包，并将该配置信息包分解成配置信息内核，发送到对应的可重构处理单元。

根据本发明的优选实施例，所述微处理单元：用于解析从外部存储器取得的指令块，并将该指令块并生成配置字；

所述指令存储单元：用于存放上述微处理单元的指令代码；

所述邮箱阵列：用于实现上述微处理单元之间以及微处理单元与主控处理器之间的通信；

所述控制单元：用于仲裁和调度上述N个微处理单元对外输出的控制权。

根据本发明的优选实施例，所述微处理器：用于解析和执行对应的指令；

所述指令高速缓存单元：用于预取和缓存微处理器需要的指令；

所述本地存储单元：用于存储微处理器执行指令过程中产生的中间数据；

所述状态寄存器文件：用于说明微处理器的工作状态，包含了用于说明中断处理状态的中断状态寄存器；

所述控制寄存器文件：用于控制微处理器的工作过程，包含了用于使能和关闭微处理器驱动时钟的时钟管理寄存器。

根据本发明的优选实施例，所述配置信息缓存模块，包括：

配置字缓存：用于缓存配置字；

配置信息包缓存：用于缓存配置信息包；

配置信息包解释器，用于将配置信息包中所包含的配置信息内核分解出来。

以及一种可重构系统配置管理的方法，包括以下步骤：

生成配置字：所述配置管理单元中的微处理阵列根据外部存储器取得的指令块，在可重构处理单元上进行算法的分配和解析，并生成配置字，将该配置字输出到配置信息缓存模块中的配置字缓存中；

配置信息包的预取：所述配置管理单元通过解析上述缓存在配置字缓存中的配置字，获得配置信息包，若所需的配置信息包在配置信息包缓存中已存在，则将该配置信息包复制一份，重新添加到配置信息包缓存中；若不存在，则从外部存储器中获取所需的配置信息包，然后再添加到配置信息包缓存中；

配置信息内核的发送：所述配置管理单元将包含在配置信息包中所包含的配置信息内核，依次发送给相应的可重构阵列，重构相应可重构阵列。

本发明的技术方案通过提供一种配置管理单元使得用于重构可重构处理单元的配置信息能够准确高效地输出到对应的可重构处理单元中，提高了配置信息的处理效率。并提供一种三级流水的配置管理方法，改变了传统的粗粒度可重构系统中的配置管理方式，从而提高了复杂的粗粒度可重构系统的动态重构效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例所述的用于可重构系统的配置管理单元的结构示意图；

图2为图1所示的用于可重构系统的配置管理单元中微处理单元的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的用于可重构系统的配置管理单元应用连接图；

图4为本发明实施例所述的实现可重构系统配置管理的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，用于可重构系统的配置管理单元，包括微处理阵列模块：用于解析从外部存储器取得的指令块，得出需要在可重构处理单元上执行的子算法，并且生成配置字，并将该配置字输出到配置信息缓存模块；片外存储接口模块：用于实现微处理阵列模块内微处理单元与外部存储器建立通信；配置信息缓存模块：用于缓存微处理阵列生成的配置字、预取和缓存从外部存储器中预取到的配置信息包，并将该配置信息包分解成配置信息内核，发送到对应的可重构处理单元。其中微处理阵列模块，包括N个微处理单元、M个指令存储单元、邮箱阵列和控制单元；微处理单元：用于解析从外部存储器取得的指令块，并将该指令块并生成配置字；指令存储单元：用于存放微处理单元的指令代码；邮箱阵列：用于实现微处理单元之间以及微处理单元与主控处理器之间的通信；控制单元：用于仲裁和调度N个微处理单元对外输出的控制权。配置信息缓存模块包括：配置字缓存：用于缓存配置字；配置信息包缓存：用于缓存配置信息包；配置信息包解释器，用于将配置信息包中所包含的配置信息内核分解出来。

μPA可以包含N个μPE，指令RAM共有M块（M小于等于N）。出于功耗和面积开销的考虑，相邻的多个μPE共享一块指令RAM。图1中所示是为4个μPE共享一个指令RAM，在实际应用中，可以综合考虑性能和功耗的影响，具体选择是几个μPE共享一个指令RAM。

邮箱阵列子模块，用于多个μPE之间、以及μPE与主控处理器之间的通信。邮箱阵列子模块4中有N+1个邮箱（Mail Box），编号为#0 ~ #N，分别作为N+1个设备的专属收件箱。邮箱#0为主控处理器的收件箱，邮箱#1~邮箱#N分别为μPE#1~μPE#N的收件箱。每个邮箱中包含一个FIFO，可以保存多封邮件。

邮件通信的机制可分为：a）μPE之间的同步通信。例如，当μPE#1完成操作，需要通知μPE#2启动操作时，则μPE#1给μPE#2的收件箱发出一封邮件。当μPE#2的收件箱收到这封邮件时，会向μPE#2发出一个FIQ中断（如果μPE#2当前的时钟是关闭的话，则同时打开μPE#2的时钟，唤醒μPE#2），通知μPE#2接收邮件。然后μPE#2通过读取并查询邮箱中的这封邮件，发现可以启动工作，转到执行状态。b）主控CPU向指定μPE发出控制信息。例如，当主控处理器需要配置μPE#1时，主控CPU首先发送一封邮件到邮箱#1。当邮箱#1收到这封邮件时，向μPE#1发送FIQ中断（同时打开μPE#1的时钟，唤醒μPE#1），通知μPE#1读取这封邮件。然后μPE#1通过读取并查询邮箱中的这封邮件，获得主控ARM发出的控制信息。

控制单元子模块，用于仲裁和调度μPA中多个μPE对外配置字输出的控制权。控制单元子模块中有一个N位的输出允许寄存器，其第0 ~ （N-1）位依次标识μPE#1~μPE#N的输出是否被允许。因为同时只能有一个μPE被允许输出，所以输出允许用独热码表示，任何时刻有且只有1位为有效（值为“1”）。输出允许寄存器的初始值为“0x1”，表示μPE#1被允许输出。输出允许寄存器可以同时被N个μPE访问，但是只有当前输出有效的那个μPE才可以去重新设置输出允许寄存器的值。当某个μPE需要将生成的配置字输出时，首先查询输出允许寄存器对应的位是否为有效，如果无效则继续轮询，如果有效，则说明这个μPE可以将其生成的配置字输出。当μPE完成输出时，这个μPE将重新设置输出允许寄存器的值：清除当前的有效位，同时将当前有效位的高一位设置为有效（如果当前有效位为第N-1位，则设置第0位为有效），从而将下一个μPE的输出设置为允许。

配置信息cache模块包含：配置字FIFO子模块、配置信息包FIFO子模块、配置信息包解释器子模块。其中，配置字FIFO用于缓存μPA生成的配置字；配置信息包FIFO用于缓存通过片外存储接口从外部存储器中获取的配置信息包，若所需的配置信息包在配置信息包FIFO中已存在，则将其复制一份，重新添加到配置信息包FIFO中；配置信息包解释器用于将配置信息包中所包含的配置信息内核分解出来，并发送到对应的RPU。

如图2所示，在微处理单元中又包括微处理器、指令高速缓存单元、本地存储单元、状态寄存器文件和控制寄存器文件。所述微处理器：用于解析和执行对应的指令；指令高速缓存单元：用于预取和缓存微处理器需要的指令；本地存储单元：用于存储微处理器执行指令过程中产生的中间数据；状态寄存器文件：用于说明微处理器的工作状态，包含了用于说明中断处理状态的中断状态寄存器；控制寄存器文件：用于控制微处理器的工作过程，包含了用于使能和关闭微处理器驱动时钟的时钟管理寄存器。

每个μPE包括：μP、指令cache、本地RAM以及状态及控制寄存器文件。其中，μP采用一个RSIC处理器来实现；指令cache用来缓存该μP执行的指令，对于μP只读；本地RAM用于存放数据，对于μP可读可写；状态及控制寄存器文件中包含时钟管理寄存器、中断状态寄存器。

时钟管理寄存器为低功耗设计。在初始化μPE的程序后，主控ARM可以通过发送邮件使能该寄存器，从而启动μP。μP可以通过将该寄存器置零，关闭μP的时钟，从而使得μP进入低功耗状态；在μP进入低功耗模式后，来自于邮箱的中断信号（当邮箱中有未被读取的邮件时产生）、RPU的中断信号均可以恢复该位，从而唤醒μP。

中断状态寄存器用于接收来自不同中断源的中断信号，并判别出所有中断信号中的最高优先级，按优先级次序发送给μP。中断状态寄存器中包含了2组×4个寄存器，分别用于处理IRQ和FIQ中断。IRQ的中断源为外部的RPU，FIQ的中断源为该μPE对应的邮箱。

如图4所示，可重构系统配置管理的方法，包括生成配置字：配置管理单元中的微处理阵列根据外部存储器取得的指令块，在可重构处理单元上进行算法的分配和解析，并生成配置字，将该配置字输出到配置信息缓存模块中的配置字缓存中；配置信息包的预取：配置管理单元通过解析缓存在配置字缓存中的配置字，获得配置信息包，若所需的配置信息包在配置信息包缓存中已存在，则将该配置信息包复制一份，重新添加到配置信息包缓存中；若不存在，则从外部存储器中获取所需的配置信息包，然后再添加到配置信息包缓存中；配置信息内核的发送：配置管理单元将包含在配置信息包中所包含的配置信息内核，依次发送给相应的可重构阵列，重构相应可重构阵列。

三个阶段的运转方式为流水线方式，从而充分利用了配置管理单元的资源，提高了配置信息处理的效率。

如图3所示，H.264协议的高清数字视频解码（H.264 1080p30fps HiPLevel4）采用了本文所提出的面向大规模粗粒度可重构系统配置管理的方法和配置管理单元，能够实现H.264 1080p30fps HiPLevel4的高清视频解码要求。该系统的结构包括：用作主控处理器的ARM7TDMI处理器、配置管理单元CMU、可重构处理单元RPU、AHB总线、DDR SDRAM。选择具有小型、快速、低能耗、编译器支持好等优点的ARM7TDMI处理器作为主控处理器，用于控制系统运行的调度；CMU通过32bit的AHB总线与外部存储器相连接，外部存储器选用最常用的嵌入式外部存储器DDR SDRAM，具有良好的性价比以及能耗比；RPU总共有两个，每个RPU中包含4个RCA，每个RCA均含有8×8个PE。对于该验证系统，对应的每个配置信息内核的大小为2Kbit。CMU中每块指令RAM的大小为32KByte，位宽为256bit。每封用于通信的邮件为32bit，由一个5bit的邮件头（邮件的高5bit，取值范围0~16，依次标识主控ARM、μPE#1~μPE#16）和一个27bit的邮件内容（邮件的低27bit，具体意义由软件定义）组成。中断状态寄存器中，IRQ的中断源为外部的2个RPU，相关的4个寄存器均为2bit；FIQ的中断源为该μPE对应的邮箱，相关的4个寄存器均为1bit。

其中可重构处理单元（Reconfigurable Processing Unit）简称为RPU；配置管理（Configuration Management Unit）简称为CMU；基本运算单元（Processing Element）简称PE；可重构阵列（ReConfigurable Array）简称RCA；配置信息包（context group）；微处理阵列（micro-Processing Array）简称μPA；微处理单元（micro-Processing Element）简称μPE；微处理器（micro-Processor）简称μP；指令高速缓存（指令cache）；本地存储单元（本地RAM）；配置字缓存（配置字FIFO）；配置信息包缓存（配置信息包FIFO）；邮箱（Mail Box）。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于可重构系统的配置管理单元，其特征在于，包括微处理阵列模块、片外存储接口模块和配置信息缓存模块；外部信号通过片外存储接口模块传输给微处理阵列模块，然后传输给配置信息缓存模块。

2.根据权利要求1所述的用于可重构系统的配置管理单元，其特征在于，所述微处理阵列模块，包括N个微处理单元、M个指令存储单元、邮箱阵列和控制单元，所述指令存储单元、邮箱阵列和控制单元均电连接在微处理单元上。

3.根据权利要求2所述的用于可重构系统的配置管理单元，其特征在于，所述微处理单元，包括微处理器、指令高速缓存单元、本地存储单元、状态寄存器文件和控制寄存器文件，所述指令高速缓存单元、本地存储单元、状态寄存器文件和控制寄存器文件均和微处理器电连接在一起。

4.根据权利要求1所述的用于可重构系统的配置管理单元，其特征在于，所述配置信息缓存模块包括配置字缓存、配置信息包缓存和配置信息包解释器。

5.根据权利要求1所述的用于可重构系统的配置管理单元，其特征在于：

所述微处理阵列模块：用于解析从外部存储器取得的指令块，得出需要在可重构处理单元上执行的子算法，并且生成配置字，并将该配置字输出到配置信息缓存模块；

所述片外存储接口模块：用于实现上述微处理阵列模块内微处理单元与外部存储器建立通信；

所述配置信息缓存模块：用于缓存上述微处理阵列生成的配置字、预取和缓存从外部存储器中预取到的配置信息包，并将该配置信息包分解成配置信息内核，发送到对应的可重构处理单元。

6.根据权利要求2或5所述的用于可重构系统的配置管理单元，其特征在于：

所述微处理单元：用于解析从外部存储器取得的指令块，并将该指令块并生成配置字；

所述指令存储单元：用于存放上述微处理单元的指令代码；

所述邮箱阵列：用于实现上述微处理单元之间以及微处理单元与主控处理器之间的通信；

所述控制单元：用于仲裁和调度上述N个微处理单元对外输出的控制权。

7.根据权利要求6所述的用于可重构系统的配置管理单元，其特征在于：

所述微处理器：用于解析和执行对应的指令；

所述指令高速缓存单元：用于预取和缓存微处理器需要的指令；

所述本地存储单元：用于存储微处理器执行指令过程中产生的中间数据；

所述状态寄存器文件：用于说明微处理器的工作状态，包含了用于说明中断处理状态的中断状态寄存器；

所述控制寄存器文件：用于控制微处理器的工作过程，包含了用于使能和关闭微处理器驱动时钟的时钟管理寄存器。

8.根据权利要求4或5所述的用于可重构系统的配置管理单元，其特征在于，所述配置信息缓存模块，包括：

配置字缓存：用于缓存配置字；

配置信息包缓存：用于缓存配置信息包；

配置信息包解释器，用于将配置信息包中所包含的配置信息内核分解出来。

9.一种利用权利要求1所述的用于可重构系统的配置管理单元的可重构系统配置管理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成配置字：所述配置管理单元中的微处理阵列根据外部存储器取得的指令块，在可重构处理单元上进行算法的分配和解析，并生成配置字，将该配置字输出到配置信息缓存模块中的配置字缓存中；

配置信息包的预取：所述配置管理单元通过解析上述缓存在配置字缓存中的配置字，获得配置信息包，若所需的配置信息包在配置信息包缓存中已存在，则将该配置信息包复制一份，重新添加到配置信息包缓存中；若不存在，则从外部存储器中获取所需的配置信息包，然后再添加到配置信息包缓存中；

配置信息内核的发送：所述配置管理单元将包含在配置信息包中所包含的配置信息内核，依次发送给相应的可重构阵列，重构相应可重构阵列。

Images