CN107196792B - 可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，采用多层次嵌套树形结构形成配置网络系统，配置流每一次改变配置路径方向都扩展两个配置方向，形成一条配置链上配置串行传递、多条配置链上配置并行传递的串并行混合配置的重构方式，多层次嵌套树形结构由至少一个双树配置网络结构与一个双向主干配置链组成，双树配置网络结构由两个单树配置网络结构组成，每个单树配置网络结构均与可重构计算单元相连。本发明几乎不增加逻辑资源消耗的前提下，减少了互连和配置功耗。

Description

可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统
技术领域
本发明涉及可重构计算领域，尤其涉及一种可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，该系统架构采用可扩展的树形网络结构，混合串并行配置方式，可有效减小最大配置链长度，多方向配置流并行配置，支持动态配置和部分配置，有效降低配置时间和配置功耗。
背景技术
可重构计算是一种介于通用计算架构（CPU）和专用计算架构（ASIC）之间的一种领域通用的（domain-specific）计算架构，能够更有效地平衡计算架构的灵活性和高效性。可重构计算架构主要由配置网络和计算网络组成，计算网络含有丰富的运算资源以及实现运算资源之间进行高速数据传递的互连资源，通过配置网络可以对计算网络中运算资源的功能和它们之间的互连进行重构，从而实现不同的计算功能。
可重构计算的重构方式根据实时性可以分为静态重构和动态重构，只能在可重构计算架构的数据通路进行计算之前对其进行功能重构，而计算过程中由于时间代价相对过大而无法对数据通路进行功能重构的特性被称为静态重构。传统的FPGA采用的重构方式即静态重构。由于功能重构时间代价相对较小，可重构计算架构的数据通路在计算过程中也可以进行功能重构的特性被称为动态重构。最典型的动态重构架构是粗粒度可重构阵列（CGRA）,CGRA粒度大，配置信息量小，可以在不断电的工作状态下快速重载配置信息，完成阵列功能重构，重新读取配置信息到生效的时间相对计算时间很小，具有实时性的特性。
重构方式根据重构的空间性也可分为完全重构和部分重构。完全重构一次重构对所有运算资源功能及它们之间的互连进行重构，而部分重构可以在空间上将计算网络划分为多个区域，每个区域可以被重构乘特定的功能，同时不会影响到其他区域的当前状态。部分重构可以有效减少配置信息量，提高配置效率。动态重构和部分重构可以有效的提高重构的实时性和能效性，是当前的可重构计算领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，具体由以下方案实现：
可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，采用多层次嵌套树形结构形成配置网络系统，配置流每一次改变配置路径方向都扩展两个配置方向，形成一条配置链上配置串行传递、多条配置链上配置并行传递的串并行混合配置的重构方式，多层次嵌套树形结构由至少一个双树配置网络结构与一个双向主干配置链组成，双树配置网络结构由两个单树配置网络结构组成，每个单树配置网络结构均与可重构计算单元相连。
可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统的进一步设计在于，可重构计算配置网络系统，基于配置包进行配置流的传递，通过I型配置过滤器和II型配置过滤器过滤配置包的传递，每个可重构计算单元分别与配置过滤器的寄存输出端连接。
可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统的进一步设计在于，单树配置网络结构包括一条主干配置链和多条分支配置链，主干配置链和分支配置链由一个II型配置过滤器与至少一个I型配置过滤器组成。
可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统的进一步设计在于，多层次嵌套树形结构中，在每个双树配置结构与双向主干配置链连接处两侧设置有与该双树结构宽度数目一致的I型配置过滤器。
可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统的进一步设计在于，多层次嵌套树形结构中，双向主干配置链上在相邻的两个双树配置结构间都存在一个I型配置过滤器。
可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统的进一步设计在于，多层次嵌套树形结构中，在每个双树配置网络结构的配置流入口处设有一个II型配置过滤器。
可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统的进一步设计在于，配置包由若干固定位宽的配置片组成，头部数个配置片分别表示配置包的配置对象标识和配置包的长度，配置包尾部的配置片是配置的具体信息。
可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统的进一步设计在于，配置对象标识由两部分组成，分别为配置过滤器标识和用于从该配置过滤器接收配置信息的可重构单元标识。
可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统的进一步设计在于，可重构单元标识的位宽为k，k取0或1。
本发明的优点如下：
（1）本发明的可重构计算配置网络系统的配置网络由多层次的配置树结构构成，有效缩短最长配置路径长度，混合串并行配置，多方向配置流并行配置。
（2）本发明的可重构计算配置网络系统的配置网络具有良好的可扩展性，能够适应不同规模的可重构计算资源的配置。
（3）本发明的可重构计算配置网络系统支持动态配置和部分配置。
附图说明
图1为单树配置结构示意图。
图2为双树配置网络系统示意图。
图3为嵌套树配置网络系统示意图。
图4为最长配置流路径长度对比图。
图5为平均配置包功耗对比图。
具体实施方式
本实施例的可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，采用多层次嵌套树形结构形成配置网络系统，配置流每一次改变配置路径方向都扩展两个配置方向，形成一条配置链上配置串行传递、多条配置链上配置并行传递的串并行混合配置的重构方式，多层次嵌套树形结构由至少一个双树配置网络结构与一个双向主干配置链组成。双树配置网络结构由两个单树配置网络结构组成。每个单树配置网络结构均与可重构计算单元相连。
该系统架构基于配置包进行配置流的传递，通过I型配置过滤器和II型配置过滤器过滤配置包的传递。配置包由一定长度且固定位宽的配置片组成。位于头部的数个配置片分别表示配置包的配置对象标识和配置包的长度。配置对象标志由两部分组成，分别为配置过滤器标识和从该配置过滤器接收配置信息的可重构单元的标识。若每个配置过滤器后仅连接一个可重构单元，则可重构单元标识位宽为0，配置过滤器标识即可重构单元标识。配置包尾部的配置片是配置的具体信息，由配置对象可重构计算单元进行解析以重构自身功能和互连。
树形配置网络系统根据可重构计算单元的数量和配置信息粒度确定配置包的粒度，即组成配置包的配置片的位宽。通常情况下，第一个配置片标志该配置包待配置对象的标识，第二个配置片代表该配置包的长度，即包中配置片的数目。在单元数量较大而计算单元配置信息粒度较小情况下，可以考虑使用多个配置片代表待配置对象的标识。
配置网络系统基本结构是单树配置结构，如附图1所示。单树配置结构有一条主干配置链和多条分支配置链构成。主干配置链和分支配置链的第一个配置过滤器为II型配置过滤器，其他为I型配置过滤器。配置过滤器的标识编号顺序如附图1和附图2所示。随高度增大，先对主干配置过滤器编号，然后分别对分枝配置过滤器编号。I型配置过滤器传递配置过滤器标识大于或等于自身标识的配置包，而可以通过II型配置过滤器的配置包则额外要求配置过滤器标识不大于本分枝或树的最大配置过滤器标识。
如图2，双树配置配置网络系统是本发明的基本配置网络系统，由两个单树配置结构组成，由图可知，两个单树配置结构通过两个II型配置过滤器相互连接实现通信连接。嵌套树配置网路架构由多个双树配置网络和一个双向主干配置链构成。双向主干配置链上，在每个双树配置结构与配置链连接处两侧存在于该双树结构宽度数目一致的I型配置过滤器；且在相邻的两个双树配置结构间都存在一个I型配置过滤器；同时，在配置流入口两侧各有一个II型配置过滤器。嵌套树配置网路架构的层次更深，可进一步缩短最长配置流路径。
对于可重构架构的资源，2k个可重构计算单元连接到配置过滤器的寄存输出端，匹配配置过滤器输出的配置包的配置对象标识，当标识与自身标识一致时，计算单元接收并根据自身特性解析配置包中配置信息。k等于配置对象标识的可重构单元标识的位宽，应根据可重构计算单元粒度确定适宜的k值，一般情况下取0或1。
在扩展方面，对于双树架构可以通过增加树的高度和宽度进行网络扩展；对于嵌套树架构可以通过增加双树结构的数目达到扩展的目的。
在每一配置过滤器连接一个计算资源和配置包粒度为16的条件下，使用SynopsysDC综合工具和40nm CMOS工艺对双树网络系统和现有的配置网络系统进行综合和对比，逻辑资源平均增加0.04%，可认为几乎没有增加，而互连线数目则平均减少了0.152%；在每个配置过滤器连接两个计算资源的条件下，对同样的计算资源，配置网络逻辑资源平均减少49.98%。最长配置流路径长度缩短75%~97%，配置功耗平均减少71%~98%，参见图4、图5。其中，图5中P表示一个配置包经过过滤器引起的功耗。
本实施例的可重构计算配置网络系统的配置网络由多层次的配置树结构构成，有效缩短最长配置路径长度，混合串并行配置，多方向配置流并行配置。另外，该配置网络具有良好的可扩展性，能够适应不同规模的可重构计算资源的配置。最后，可重构计算配置网络系统也支持动态配置和部分配置。
该架构为多层次网络系统，以树形结构为基本单元，有效地缩短了最长配置流路径长度；该架构混合串并行配置链路，多方向配置链路可并行配置，有效缩短了配置时间和配置功耗；该架构以单树结构为基本构成单元，基本形态为双树架构，可以扩展为嵌套树架构，具有良好的可扩展性，可以根据实际应用需求扩展或缩小网络规模，适合于可重构计算架构的VLSI的设计实现
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，其特征在于：采用多层次嵌套树形结构形成配置网络系统，配置流每一次改变配置路径方向都扩展两个配置方向，形成一条配置链上配置串行传递、多条配置链上配置并行传递的串并行混合配置的重构方式，多层次嵌套树形结构由至少一个双树配置网络结构与一个双向主干配置链组成，双树配置网络结构由两个单树配置网络结构组成，每个单树配置网络结构均与可重构计算单元相连。
2.根据权利要求1所述的可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，其特征在于：可重构计算配置网络系统基于配置包进行配置流的传递，通过I型配置过滤器和II型配置过滤器过滤配置包的传递，每个可重构计算单元分别与配置过滤器的寄存输出端连接；配置包由若干固定位宽的配置片组成，头部数个配置片分别表示配置包的配置对象标识和配置包的长度，配置包尾部的配置片是配置的具体信息；配置对象标识由两部分组成，分别为配置过滤器标识和用于从该配置过滤器接收配置信息的可重构单元标识，I型配置过滤器传递配置过滤器标识大于或等于自身标识的配置包，而可以通过II型配置过滤器的配置包则额外要求配置过滤器标识不大于本分枝或树的最大配置过滤器标识。
3.根据权利要求2所述的可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，其特征在于：单树配置网络结构包括一条主干配置链和多条分支配置链，主干配置链和分支配置链由一个II型配置过滤器与至少一个I型配置过滤器组成。
4.根据权利要求2所述的可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，其特征在于：多层次嵌套树形结构中，在每个双树配置结构与双向主干配置链连接处的两侧设置有与该双树结构宽度数目一致的I型配置过滤器。
5.根据权利要求2所述的可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，其特征在于：多层次嵌套树形结构中，双向主干配置链上在相邻的两个双树配置结构间都存在一个I型配置过滤器。
6.根据权利要求2所述的可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，其特征在于：多层次嵌套树形结构中，在每个双树配置网络结构的配置流入口处设有一个II型配置过滤器。
7.根据权利要求2所述的可扩展的支持动态部分重构的可重构计算配置网络系统，其特征在于：可重构单元标识的位宽为k，k取0或1。
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