一種面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及控制方法

2023-05-16 01:50:11

一種面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及其控制方法，包括可重構陣列數據緩存控制單元：用於控制可重構陣列與可重構陣列數據緩存單元以及可重構陣列數據緩存單元與外部存儲器之間的數據交互；可重構陣列數據緩存單元：用於存儲從外部存儲器取到的數據；外部存儲器數據預取緩存單元：用於從外部存儲器預取即將訪問的數據到可重構陣列數據緩存單元；數據訪存重構單元：用於發送可重構陣列數據緩存單元所需的地址信息以及步長信息。並提供了實現可重構系統中多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據的控制方法，減少訪問衝突，節省了可重構系統數據處理的時間，提高了大規模粗粒度可重構陣列的計算性能。
【專利說明】一種面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及嵌入式可重構設計領域，具體地，涉及一種面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及控制方法。
【背景技術】
[0002]處理器與專用集成電路(ASIC)是傳統的計算機系統結構領域的運算平臺，處理器的特點在於通過執行指令集中的相關指令來完成計算，不用去改動底層的硬體環境。但處理器的運算速度要比ASIC慢很多，每個獨立的操作具有更高的執行開銷。專用集成電路的特點在於用硬體來實現應用的操作具有很高的速度、效率和精度，但其缺陷在於開發周期太長，代價太高，而且硬體電路一旦製作好以後是不能夠被隨意改動的。
[0003]FPGA可重構技術的出現，大大改變了傳統的嵌入式設計的方法，可重構計算作為一種新型時空域的計算模式，獲得了越來越廣泛的關注，其主要的應用領域包括多媒體處理、移動通信、數位訊號處理、數據加解密等。然而，在軍事目標匹配、大數運算、聲納波束合成、基因組匹配、圖象紋理填充、集成電路的計算機輔助設計等等之中，隨應用場合的不同，可重構系統對性能的提高程度也大不相同。一般情況下，系統內FPGA數量越多，總體的性能就越高，按系統中FPGA的晶片數量進行平均，每塊FPGA能使運算速度提高7?30倍左右，但平均每塊晶片提高的速度倍數越低。
[0004]隨著計算性能要求的提高,計算複雜度的越來越高，粗粒度的可重構架構的計算資源也大量增加，使用多個可重構陣列來完成這些應用，在多個可重構陣列同時進行數據訪問的時候，會造成訪問衝突，產生訪問延遲，增加了數據的訪問時間，使得計算性能大大降低。如何減少數據的訪問時間，提高數據的訪問速度，成為了提高可重構系統計算性能研究中的一個重要課題。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於，針對上述問題，提供一種面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及控制方法，以提高大規模粗粒度可重構系統的性能。
[0006]為實現上述目的，本發明採用的技術方案是:
一種面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存，包括可重構陣列數據緩存控制單元，可重構陣列數據緩存單元，外部存儲器數據預取緩存單元，數據訪存重構單元；
所述可重構陣列數據緩存單元:用於存儲從外部存儲器取到的數據；
所述外部存儲器數據預取緩存單元:用於從外部存儲器預取即將訪問的數據到數據緩存單元；
所述可重構陣列數據緩存控制單元:用於控制可重構陣列與可重構陣列數據緩存單元以及可重構陣列數據緩存單元與外部存儲器之間的數據交互；
所述數據訪存重構單元:用於發送數據緩存單元所需的地址信息以及步長信息。[0007]根據本發明的優選實施例，所述的可重構陣列數據緩存控制單元，其特徵在於，硬體結構包括，地址解析器和步長解析器；
所述地址解析器:用於解析從數據訪存重構單元接收到的地址信息，根據地址信息判斷可重構陣列數據緩存單元此時是與外部存儲器進行數據交互，還是與可重構陣列進行數據交互；
所述步長解析器:用於解析從數據訪存重構單元接收到的步長信息，對於有N個數據存儲片區的數據存儲單元，步長取值包N種(N取值範圍1-8)，0，1，2，……，N-1 ；
根據本發明的優選實施例，所述的用來存儲從外部存儲器取到的可重構陣列數據緩存單元，包含N個存儲片區(N的取值範圍是1-8)，根據接收到的地址信息判斷可重構陣列數據緩存單元是與外部存儲器進行數據交互，還是與可重構陣列進行數據交互，根據步長信息確定每一個可重構陣列可以訪問的存儲片區；
面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置的控制方法，當多個粗粒度可重構陣列同時訪問可重構陣列數據緩存單元時，每個可重構陣列在同一時間只能對應可重構陣列數據緩存單元中的一個存儲片區，用可重構陣列數據緩存單元的行號M對N進行取模(mod)運算，運算結果為n，即M mod N=n，則把此行號所表示的可重構陣列數據緩存單元定義為存儲片區#n。
[0008]每個可重構陣列與存儲片區的對應關係由步長決定。對於步長是N-1，可重構陣列#0訪問存儲片區#N-1，可重構陣列#1訪問存儲片區#0，可重構陣列棚-1訪問存儲片區#N-2。例如:如果步長是0，則可重構陣列#0對應存儲片區#0，可重構陣列#1對應存儲片區#1，可重構陣列測 -1訪問存儲片區#N-1 ;如果步長是1，則可重構陣列#0訪問存儲片區#1，可重構陣列#1訪問存儲片區#2,可重構陣列#N-2訪問存儲片區測-1，可重構陣列#N-1訪問存儲片區#0 ;如果步長是2，可重構陣列#0訪問存儲片區#2，可重構陣列#1訪問存儲片區#3，可重構陣列棚-1訪問存儲片區#1。
[0009]本發明的技術方案通過提供一種面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及其控制方法，使得多個可重構陣列同時訪問數據緩存時訪問衝突降低、數據訪問時間減少，改變了傳統的可重構系統中數據緩存的訪問方式，從而提高了可重構系統的計算性能。
[0010]本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
[0011]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施實例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中:
圖1為面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置示意圖；
圖2為可重構陣列數據緩存控制單元示意圖；
圖3為可重構陣列數據緩存控制單元工作流程圖；
圖4為面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存控制方法的可重構陣列與存儲片區的對應關係框圖；
圖5為本發明實施例所述的面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及控制方法的應用連接圖。
【具體實施方式】
[0013]以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0014]如圖1所示，面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及控制方法，包括可重構陣列數據緩存控制單元:用於控制可重構陣列與可重構陣列數據緩存單元以及可重構陣列數據緩存單元與外部存儲器之間的數據交互；可重構陣列數據緩存單元:用於存儲從外部存儲器取到的數據；外部存儲器數據預取緩存單元:用於從外部存儲器預取即將訪問的數據到可重構陣列數據緩存單元；數據訪存重構單元:用於發送可重構陣列數據緩存單元所需的地址信息以及步長信息。
[0015]如圖2所示，可重構陣列數據緩存控制單元，硬體結構包括地址解析器和步長解析器；地址解析器用於解析從數據訪存重構單元接收到的地址信息，根據地址信息判斷可重構陣列數據緩存單元此時是與外部存儲器進行數據交互，還是與可重構陣列進行數據交互；步長解析器用於解析從數據訪存重構單元接收到的步長信息，對於有N個數據存儲片區的數據存儲單元，步長取值包N種(N取值範圍1-8)，0，1，2，……，N-1 ；
如圖3所示，可重構系統中可重構陣列數據緩存控制單元的工作流程，首先，數據訪存重構模塊發送地址信息和步長信息給可重構陣列數據緩存單元，然後地址解析器根據接收到的地址信息，判斷此時是可重構陣列存取數據還是可重構陣列數據緩存單元與外部存儲器進行數據交互。如果是可重構陣列存取數據，則步長解析器對接收到的步長信息的進行解析，可重構陣列根據相應的步長值訪問對應的存儲片區，如果是外部存儲器存取數據，則採用連續地址的存取方式對可重構陣列數據緩存單元的數據進行存取。
[0016]如圖4所示，面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置的控制方法。當多個粗粒度可重構陣列同時訪問數據緩存單元時，每個可重構陣列在同一時間只能對應數據緩存單元中的一個存儲片區，用數據存儲單元的行號M對N進行取模(mod)運算，運算結果為n，即M mod N=n，則把此行號所表示的數據存儲單元定義為存儲片區#n。
[0017]每個可重構陣列與存儲片區的對應關係由步長決定。對於步長是N-1，可重構陣
列#0訪問存儲片區#N-1，可重構陣列#1訪問存儲片區#0,......,可重構陣列棚-1訪問存
儲片區#N-2。例如:如果步長是0，則可重構陣列#0對應存儲片區#0，可重構陣列#1對應
存儲片區#1，......，可重構陣列#N-1訪問存儲片區#N-1 ;如果步長是I,則可重構陣列#0
訪問存儲片區#1，可重構陣列#1訪問存儲片區#2,......,可重構陣列測_2訪問存儲片區
棚-1，可重構陣列棚-1訪問存儲片區#0如果步長是2，可重構陣列#0訪問存儲片區#2,可重構陣列#1訪問存儲片區#3，......，可重構陣列棚-1訪問存儲片區#1。
[0018]如圖5所示，H.264協議的高清數字視頻解碼(H.264 1080pi30fps HiPiLevel4)採用了本文所提出的面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置及控制方法，能夠實現H.264 1080pi30fps HiP@LeVel4的高清視頻解碼要求。該系統的結構包括:用作主控器的ARM7TDMI處理器、可重構陣列數據緩存、可重構陣列RCA、AHB總線、DDR SDRAM。選擇具有小型、快速、低能耗、編譯器支持好等優點的ARM7TDMI處理器作為主控CPU，用於控制系統運行的調度；可重構陣列數據緩存通過32bit的AHB總線與ARM7TDMI處理器相連接，外部存儲器選用最常用的嵌入式外部存儲器DDR SDRAM，支持64bit的數據訪問位寬，具有良好的性價比以及能耗比；RCA共有4個，每個RCA均含有8X8個PE，依次標識RCA(TRCA3。可重構陣列數據緩存單元，包含4個存儲片區，總共大小為64KB。
[0019]作為對比實驗，設置了一個對比驗證系統，與上述驗證系統的區別在於可重構陣列數據緩存單元中沒有採用分模塊的方式，可重構陣列數據存儲單元的訪問方式採用傳統設計中常用的連續地址讀取數據模式，而可重構陣列數據存儲單元的大小和結構相同。實驗結果表明，採用本發明提出的多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置，可重構陣列數據存儲單元的平均訪問衝突比對比驗證系統降低38.9%，數據訪問所需時間減少50%以上，即計算性能提高了 2倍以上。
[0020]其中可重構陣列(ReConfigurable Array)簡稱RCA ;基本運算單兀(ProcessingElement)簡稱 PE。
[0021]最後應說明的是:以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置，其特徵在於，包括可重構陣列數據緩存控制單元、可重構陣列數據緩存單元、外部存儲器數據預取緩存單元、數據訪存重構單元； 所述可重構陣列數據緩存單元:用於存儲從外部存儲器取到的數據； 所述外部存儲器數據預取緩存單元:用於從外部存儲器預取即將訪問的數據到數據緩存單元； 所述可重構陣列數據緩存控制單元:用於控制可重構陣列與可重構陣列數據緩存單元以及可重構陣列數據緩存單元與外部存儲器之間的數據交互； 所述數據訪存重構單元:用於發送數據緩存單元所需的地址信息以及步長信息。
2.根據權利要求1所述的共享數據緩存裝置，其特徵在於，可重構陣列數據緩存單元包含N個存儲片區，N的取值範圍是1-8，根據接收到的地址信息判斷可重構陣列數據緩存單元是與外部存儲器進行交互，還是與可重構陣列進行交互，根據步長信息確定每一個可重構陣列可以訪問的存儲片區。
3.根據權利要求1所述的共享數據緩存裝置，其特徵在於，可重構陣列數據緩存控制單元包括地址解析器、步長解析器； 所述地址解析器:用於解析從數據訪存重構單元接收到的地址信息，根據地址信息判斷可重構陣列數據緩存單元此時是與外部存儲器進行數據交互，還是與可重構陣列進行數據交互； 所述步長解析器:用於解析從數據訪存重構單元接收到的步長信息，對於有N個數據存儲片區的數據存儲單元，步長取值包N種(N取值範圍1-8)，0，1，2，……，N-1。
4.一種利用權利要求1-3中任意一項所述的面向多個粗粒度動態可重構陣列的共享數據緩存裝置的控制方法，其特徵在於，所述可重構陣列數據緩存控制單元的工作流程為:首先，數據訪存重構模塊發送地址信息和步長信息給可重構陣列數據緩存單元，然後地址解析器根據接收到的地址信息，判斷此時是可重構陣列與可重構陣列數據緩存單元進行數據交互還是可重構陣列數據緩存單元與外部存儲器進行數據交互；如果是可重構陣列從可重構陣列數據緩存單元中讀取/寫入數據，則步長解析器對接收到的步長信息進行解析，可重構陣列根據相應的步長值訪問對應的存儲片區；如果是可重構陣列數據緩存單元從外部存儲器讀取/寫入數據，則採用連續地址的存取方式對數據進行讀取或者寫入可重構數據緩存單元。
5.根據權利要求4所述的控制方法，其特徵在於，當多個粗粒度可重構陣列同時訪問可重構陣列數據緩存單元時，每個可重構陣列在同一時間只能對應可重構陣列數據緩存單元中的一個存儲片區，用可重構陣列數據緩存單元的行號M對N進行取模(mod)運算，運算結果為n，即M mod N=n，則把此行號所表示的可重構陣列數據緩存單元定義為存儲片區#n ； 每個可重構陣列與存儲片區的對應關係由步長信息決定； 對於步長是N-1，可重構陣列#0訪問存儲片區#N-1，可重構陣列#1訪問存儲片區#0，......可重構陣列棚-1訪問存儲片區測-2。
【文檔編號】G06F12/08GK103927270SQ201410176151
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年2月24日
【發明者】曹鵬, 劉波, 閔婧, 杜月, 肖建, 楊軍 申請人:東南大學