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领域专用可重构计算结构研究

王侃文  
【摘要】:随着半导体技术的飞速发展和日趋复杂的应用需求,可重构计算已成为微电子、电子工程和计算机科学等学科中热门的研究课题。作为一种时空域上的计算模式,它既能在设计实现时利用可重构器件定制专用的计算部件,又能够对计算资源进行复用以实现多个不同的计算任务。通过对特定应用领域的相关算法进行分析和优化,可设计出更加灵活高效的可重构计算结构。本文从适合可重构计算的专用领域入手,对相关内容进行了有益的探索和尝试,主要做了如下工作: 首先,本文对包括数字信号处理、图像视频多媒体、通信和加解密在内的领域专用应用算法进行了分析,提取出相应的基本运算集合。在这些基本运算集合中,常数乘法是一种应用广泛的运算,在乘法运算中的比例超过20%。并且在输出数越多以及配置数小于6时,基于加减法器移位器和多路选择器的常数乘法器与通用乘法器相比,在面积上具有优势。 其次,已有的常数乘算法在解决多标准多输出应用问题时要付出不菲的面积代价,本文提出一种优化的可重配置多输出常数乘算法。该算法分别运用局部优化和全局优化两种策略,寻找并利用多常数乘法器之间的拓扑相似度以进行融合,实现了对加法器空间和时间上的共用。通过实现一个统一框架下的常数乘法器自动生成软件工具,可方便地得到各类常数乘法器的硬件结构。 此外,本文利用可重配置多输出常数乘算法设计实现了适用于视频编解码的可重构多变换结构。该多变换结构可应用于4种主流标准的实时1080P高清视频编解码处理,实现不同标准下的静态重构以及正反变换的动态重构。该结构采用130nm工艺实现,综合后面积为23060门,最高运行频率可达到100MHz。 最后,本文提出一种新型粗粒度可重构计算单元结构。该计算单元由可重配置加减法器、可重配置移位器、多路选择器和取补码单元组成,可实现基于加法和乘法的各类领域专用常用运算。这是一种应用驱动的、非指令执行、数据级并行且高度可扩展的可重构计算结构。该结构采用130nm工艺实现,综合后面积为2964门,最高运行频率可达到55MHz。


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