嵌入式可重构计算系统及其任务调度机制的研究

随着复杂应用对计算系统性能的要求不断提高，采用单一微处理器已不能满足海量数据处理的需要，迫切需要一种高速可靠的计算系统。目前，研究高性能计算的一个重要课题是可重构计算，将微处理器和可重构硬件嵌入到一个系统中，结合微处理器的灵活性与ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的高效性能，达到软件的灵活与硬件的优化。 可重构计算系统的核心是可重构硬件单元，可以通过配置成不同的硬件逻辑来实现多种功能和应用。国外在可重构计算技术方面已进行了大量的研究，并且有些研究成果已经在实际应用领域取得了成功。其研究采用的可重构硬件有两种：用于可重构系统的特殊FPGA(Field Programmable Gate Array)和专门开发用于可重构计算研究的芯片。然而，目前国内不具备这方面的条件，对可重构计算技术还处于一个学习阶段。在这种前提下，本文设计和实现了一种嵌入式可重构并行计算系统，并对可重构计算的相关理论进行了研究。 本文首先介绍了可重构计算的特点、发展和应用，按单元粒度、耦合程度、配置容量和重构方式对可重构计算分别进行讨论，并研究了可重构计算的关键技术：模型结构、编译技术、快速重构、芯片集成和任务调度。折衷考虑可行性和系统性能后，利用RISC微控制器作为主控制器，多块通用FPGA芯片构成可重构处理单元阵列，提出一种嵌入式可重构计算系统的体系结构。通过对系统结构和软、硬件组成的详细介绍和讨论，以及仿真和样机的实际运行，系统基本达到设计需求，在此平台上可以进行可重构计算技术方面的研究。 可重构计算系统中，多个可重构处理单元构成一个多机并行系统，任务调度策略是决定系统性能的关键。本文对实时并行系统的多任务调度理论进行了深入的讨论，分析了表调度算法、任务复制调度算法、任务集群调度算法和随机搜索调度算法的优缺点和适用范围，在可重构计算系统的多任务调度中引入有向无环图DAG