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异质可重构硬件任务在线布局算法研究

作　者: 李德华
导　师: 汪斌强
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 可重构任务布局异质结构相对任务覆盖度布局窗口碎片融合任务处理系统
分类号: TN915.01
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

良好的任务布局算法可以在可重构器件上同时放置更多的任务,加快可重构计算系统的整体任务执行速度,提高可重构器件的资源利用率和系统性能。随着制造工艺发展,可重构器件FPGA提供的逻辑资源数量和种类的增加使其呈现为异质结构,基于同质结构模型的任务布局算法应用范围变小,不适于使用异质器件的可重构系统。随着硬件任务的在线动态添加和删除,使得可重构器件的空闲资源碎片化,不利于后续任务的放置运行。因此,研究异质结构下的可重构任务布局算法和在线碎片融合算法具有重要意义。本文在分析了主流可重构器件的内部结构基础上,建立了异质可重构器件模型和硬件任务模型,基于该模型提出了相应的在线任务布局算法和部分碎片融合算法,最后设计了一种支持碎片融合的异质可重构任务处理系统方案。主要研究内容包括：1.建立了异质结构的可重构器件模型和硬件任务模型,并设计了相应的数据结构对器件资源状态进行描述,为后续任务布局算法研究奠定了基础。在研究分析了当前主流可重构器件的内部结构及其部分重构技术基础后,结合不同硬件任务的不同逻辑资源需求,建立了异质器件和任务模型；通过巧妙地数据结构设计,以不同数字权值描述器件上不同类型逻辑单元,实现了对多种可重构器件资源的有效管理。2.基于建立的异质结构模型,提出了基于相对任务覆盖度的异质任务在线布局算法ARTC-PW.提出了平均相对任务覆盖度的概念和计算方法,为任务等待队列设立了布局窗口,根据窗内任务对器件空闲单元的相对任务覆盖度选择当前任务的放置位置,兼顾了后续任务的布局需求,提高了任务布局效率。实验表明,与First Fit算法相比,ARTC-PW算法降低了任务等待时间,提高了器件资源利用率。3.提出了基于任务优先级的在线部分碎片融合算法MPDC。算法以最小移置开销对部分运行中任务进行重新放置,将资源碎片融合成连续的空闲区域,加快高优先级任务的放置和运行,提升了系统整体工作效率。给出了相应的系统性能评价指标。提出了移置任务快速布局算法DARTC和DDARTC,有效地支持了在线碎片融合的执行。4.提出了支持碎片融合的异质可重构硬件任务处理系统方案HRHTPS,在不使用异质任务调度算法的情况下能支持实时任务的处理。

全文目录

表目录  7-8
图目录  8-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-24
  1.1 研究背景  13-16
    1.1.1 可重构计算概述  13-14
    1.1.2 可重构技术的分类  14-15
    1.1.3 两种部分重构模式  15-16
  1.2 可重构任务布局研究现状  16-20
    1.2.1 可重构系统模型  16
    1.2.2 可重构区域预划分布局  16-17
    1.2.3 一维任务布局  17-18
    1.2.4 二维任务布局  18-20
  1.3 现有布局算法存在的不足  20-21
  1.4 本论文的工作  21-23
  1.5 论文的章节安排  23-24
第二章 FPGA内部结构及部分重构技术基础  24-34
  2.1 引言  24
  2.2 可重构硬件基础  24
  2.3 可重构FPGA的内部结构  24-29
    2.3.1 Virtex  25-26
    2.3.2 Virtex-Ⅱ/Pro  26-28
    2.3.3 Virtex-4和Virtex-5  28-29
  2.4 部分重构的通信基础——总线宏  29-31
    2.4.1 基于TBUF的总线宏  29-30
    2.4.2 基于Slice的总线宏  30-31
  2.5 EAPR部分可重构技术  31-32
    2.5.1 设计流程  31-32
    2.5.2 布局区域的设定  32
  2.6 本章小结  32-34
第三章异质结构模型与可重构任务在线布局算法  34-45
  3.1 引言  34
  3.2 异质结构的器件和硬件任务模型  34-37
    3.2.1 模型建立  34-35
    3.2.2 器件模型描述  35-36
    3.2.3 任务模型描述  36-37
  3.3 异质任务在线布局算法  37-42
    3.3.1 在线任务布局技术  37
    3.3.2 基本概念定义  37-40
    3.3.3 在线布局算法  40-42
  3.4 仿真实验与结果分析  42-44
    3.4.1 仿真环境及实验模型  42
    3.4.2 评价准则  42-43
    3.4.3 实验结果与分析  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章异质可重构任务在线布局中的碎片融合研究  45-59
  4.1 引言  45
  4.2 Virtex-Ⅱ/Pro FPGA的碎片融合技术  45-49
    4.2.1 Virtex-Ⅱ/Pro FPGA的配置存储器  46-47
    4.2.2 内容存储与恢复  47
    4.2.3 CPA任务移置  47-48
    4.2.4 移置任务时间开销计算  48-49
  4.3 在线碎片融合算法  49-55
    4.3.1 系统模型  49
    4.3.2 任务处理流程  49-50
    4.3.3 移置任务再布局算法  50-55
    4.3.4 碎片融合算法  55
  4.4 仿真实验与结果分析  55-57
    4.4.1 仿真环境及实验模型  55-56
    4.4.2 评价指标  56-57
    4.4.3 实验结果与分析  57
  4.5 本章小结  57-59
第五章支持碎片融合的异质可重构任务处理系统方案  59-66
  5.1 引言  59
  5.2 现有任务处理系统的不足  59-60
  5.3 HRHTPS总体设计方案  60-62
    5.3.1 HRHTPS的设计目标  60
    5.3.2 HRHTPS的总体结构  60-61
    5.3.3 异质可重构器件与数学模型描述  61
    5.3.4 异质硬件任务描述  61-62
  5.4 HRHTPS组件的功能设计  62-64
    5.4.1 任务等待队列  62
    5.4.2 调度器  62
    5.4.3 布局器  62-63
    5.4.4 资源管理器  63
    5.4.5 任务数据库  63
    5.4.6 任务装载队列  63
    5.4.7 任务处理流程  63-64
  5.5 系统仿真实验测试  64-65
    5.5.1 仿真实验系统设置  64
    5.5.2 实验结果与分析  64-65
  5.6 本章小结  65-66
第六章结束语  66-68
参考文献  68-73
作者简历攻读硕士学位期间完成的主要工作  73-74
致谢  74

异质可重构硬件任务在线布局算法研究

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