面向媒体处理的粗粒度可重构系统中数据流管理机制和实现方法的研究

Since coarse-grained reconfigurable system can provide satisfying solutions in terms of both efficiency and flexibility with the implementation of high computing parallelism and dynamic reuse of hardware resources, they are becoming the alternative for multimedia processing applications to GPPs (general purpose processor) and ASICs (application specific integrated circuit). However, with the ever increasing demand for multimedia processing performance, existing data flow management strategies of coarse-grained reconfigurable systems have met great challenge for the high requirements of data throughput and reconfiguration efficiency. This project aims to: 1. propose a efficient modulo scheduling strategy to map data flow onto a coarse-grained reconfigurable array for multimedia processing, by taking into account the data flow features of targert multimedia algorithms and the memory sub-system architecture adopted; 2. propose a hierarchical storage structure and prefetching and reusing methords based on the data flow features of targert multimedia algorithms to reduce the system reconfiguration time and the access latency; 3. propose an unified management strategy to further optimize the data accessing efficiency of the target system. the researchs in our project will achieve the theoretical foundation to improve the processing performance of coarse-grained reconfigurable systems.

粗粒度可重构系统通过提高计算并行度和实现动态硬件资源复用，能够在计算性能和灵活度之间获得良好平衡，近年来逐渐成为通用处理器和专用集成电路在媒体处理领域的替代方案。然而，随着媒体处理性能要求越来越高，已有的粗粒度可重构系统数据流管理机制已经无法满足其日益增长的数据带宽和重构效率的要求。本项目：提出一种面向媒体处理的粗粒度可重构阵列上数据流分配的模调度策略，该模调度策略同时考虑到了媒体处理算法中的数据流特性以及采用的存储系统结构，可以大幅提升媒体算法在粗粒度可重构阵列上的映射效率；提出一套结合面向媒体处理粗粒度可重构系统中数据流特点的存储分层和预取重用方案，可以极大减少系统重构时间和存储访问延迟；提出一种结合可重构阵列上数据流调度策略以及存储系统结构的数据流统一管理机制，可以进一步优化系统中的数据流存取效率。本项目的研究，将为提高粗粒度可重构系统的计算性能奠定必需的理论基础。

本课题首先从媒体处理算法的特征入手，讨论了基于可重构计算的算法并行化处理方法、面向媒体处理可重构计算的实现方案以及可重构系统的基本结构和工作机制，并分析了可重构系统中算数流和构令流的具体特征。在算数流子系统方面，本课题分别研究了可重构阵列的数据流水方法、可重构处理单元的访问接口结构设计以及数据的预取缓存策略，包括以下三个部分的研究工作：首先，研究并提出了一种可重构阵列中的分布式寄存器结构，可以在控制互连延迟和硬件开销的同时，有效地减少输入数据和计算过程中的流水线气泡；其次，研究了可重构系统中数据的访存特点以及外存访问接口的设计方法，可以有效地优化系统的访存性能；最后，研究并提出了一种基于扁平矩形框的数据预取策略以及相应的缓存块结构，可以在控制片上缓存开销的同时，有效地减少可重构阵列的数据访问延迟。本课题在构令流子系统方面的研究工作，主要包括以下四个部分：首先，研究并提出了一种针对媒体处理可重构计算的配置信息组织结构和分级策略，可以有效地利用算法的结构特点以及可重构系统中构令流特征，来优化配置信息的存取过程；其次，研究并提出了一种配置信息缓存的管理机制，包括：基于预解析的配置信息预取机制以及基于混合优先级的配置信息更新替换策略，通过在缓存管理策略中结合并利用媒体处理算法的特性，可以有效地提高配置信息缓存的片上存储利用率和访问命中率；第三，研究并提出了一种基于配置信息分级组织策略的配置信息缓存结构，可以在不影响配置信息访问性能的同时，降低近一半的配置信息缓存存储开销；最后，本课题研究了系统中重构控制单元结构的设计方法，包括层次化的数据和指令存储结构以及基于多模式邮递通信机制的重构任务并行调度方法，以较低的硬件开销，可以获得较高的重构调度性能。