基于可编程数据流计算的粗粒度可重构SoC设计方法研究

本项目针对目前面向领域应用的粗粒度可重构SoC的可重构结构设计探索空间过大、硬件资源利用率较低、编译映射优化困难，导致领域应用效能不高的问题，以实现粗粒度可重构SoC领域应用的高效能为目标，结合密码信息处理领域应用需求，研究探讨基于数据流计算与指令流计算特征有机结合的可编程数据流计算模型设计粗粒度可重构结构的新方法，并设计一种新颖的可支持多种主流密码处理算法高效处理的粗粒度可重构结构；研究探讨基于结构数据流描述语言中间表示和可重构硬件资源虚拟化、层次式粗粒度可重构编译映射生成与优化新方法，并设计一种可对多种主流密码处理程序实现高效编译映射生成的新机制。本项目的研究成果，可为研制新一代粗粒度可重构密码处理SoC芯片及其软件平台奠定技术基础，对推动我国面向领域应用的高效能粗粒度可重构SoC设计方法的发展，具有重要理论意义和实际应用价值。

三年来，本项目重点在面向领域应用（密码处理、DSP）粗粒度可重构体系结构及其编译优化方法方面开展研究工作。 所取得的主要研究成果： 1).提出了一种可编程数据流体系结构计算模型，该模型具有同时长时间配置与细粒度控制的特点；并提出基于可编程数据流计算的体系结构框架 ProDFA；2).提出一种基于 ProDFA 的分组密码算法可重构 SoC 及其同步映射方法， 该结构综合多种分组密码算法的计算特点进行流水化结构设计，映射过程包括数据流图提取、自动同步数据流转换和配置生成； 3).提出了一种面向领域应用的 ProDFA 功能单元定制设计方法，该方法采用改进的快速最大有效子图枚举算法 MVSE 和启发式子图搜索与确认算法，并对确认的候选子图进行分组和聚类操作，最后生成候选功能子图； 4).提出一种基于多面体模型的可编程数据流循环映射优化方法，该方法通过引入多面体模型对循环进行精确的相关性分析和特征提取，选择循环转换方法，挖掘循环转换最优序列，并在此基础上对关键循环执行循环仿射优化；5).提出一种应用定制的可重构体系结构框架 ASRA， ASRA 采用分簇式 VLIW 结构，将应用定制的可重构功能单元阵列紧密耦合在指令流水线中。通过在基本处理器上加入应用定制的硬件功能单元及相应的扩展指令，实现对目标应用中计算核心的加速； 6).提出一种关键循环到粗粒度可重构结构的存储感知的并行任务生成方法，该方法利用静态程序特征分析技术获取的关键循环特征信息，对循环中的多维数组分簇进行建模，引入多面体理论分析关键循环的存储需求，构建存储感知的 CGRA 映射目标函数来判断关键循环映射效果。7).提出一种面向粗粒度可重构结构的应用映射数据并行优化方法，该方法构建多个可重构数据流水线以最大化程度开发应用并行性， 通过发掘循环迭代数据重用的存储体冲突消除算法与数据重组方法减少该存冲突； 8).提出一种面向安全散列算法的公共计算模式， 并设计安全散列算法应用定制的可重构体系结构； 9).提出一种面向领域的应用定制可重构流水线 ACRP 及其编译方法,ACRP 由简单处理单元构成的可重构流水线上共享应用定制功能单元组成， 通过同时挖掘定制单元、流水线、数据三个层次的并行性进行加速。