可重構計算：高效靈活的計算技術(shù)

運行時(shí)可重構技術(shù)研究的深入和成熟還能夠促進(jìn)其他相關(guān)領(lǐng)域的計算技術(shù)得到長(cháng)足進(jìn)展，例如進(jìn)化硬件和系統容錯技術(shù)等。但在當前，運行時(shí)可重構技術(shù)還面臨著(zhù)一些關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決：

可重構邏輯器件的支持?？芍貥?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/計算">計算技術(shù)的發(fā)展對可重構邏輯器件有著(zhù)很強的依賴(lài)性。當前的器件功能和性能都有了很大提升，已經(jīng)能夠對運行時(shí)可重構技術(shù)提供相關(guān)支持。例如，運行時(shí)可重構計算技術(shù)需要能夠在不影響任務(wù)正常執行的情況下，對器件的空閑資源進(jìn)行配置。相應的，當前的商業(yè)可重構邏輯器件能夠提供部分重構（partial-reconfiguration）的能力。但是現在存在的最大問(wèn)題在于器件配置過(guò)程耗費的時(shí)間比較長(cháng)。隨著(zhù)芯片上的可重構邏輯資源數量越來(lái)越多，相應的配置文件規模也越來(lái)越大，配置過(guò)程需要毫秒量級的時(shí)間，但是可重構邏輯器件上的應用是以微/納秒量級的時(shí)間在執行，因此配置過(guò)程成為了整個(gè)系統的瓶頸。經(jīng)常會(huì )發(fā)生應用執行到一半，但后續功能還沒(méi)有配置好的情況。這時(shí)候應用的執行可能會(huì )使用到錯誤的配置，因此它必須等待，這極大地降低了系統性能。還有一種可重構邏輯器件能夠為運行時(shí)可重構技術(shù)提供支持，它被稱(chēng)做多上下文（multi-context）器件。這種器件的特點(diǎn)在于，它將器件的多個(gè)配置文件存儲在芯片上，當需要發(fā)生功能切換時(shí)，能夠在單周期內完成器件的配置。但是這種器件技術(shù)目前尚未成熟。

軟/硬件任務(wù)的劃分。在可重構計算系統中，存在著(zhù)可重構邏輯器件和通用處理器兩大部分。如何使一個(gè)應用高效運行在可重構計算系統上，首先就需要對應用進(jìn)行任務(wù)劃分，將軟/硬件任務(wù)分別映射到通用處理器和可重構邏輯器件上執行。在任務(wù)的劃分中，要充分考慮到任務(wù)執行的特征，把那些負擔繁重并且性能要求高的計算任務(wù)劃分為硬件任務(wù)，同時(shí)把那些不適合用硬件加速執行的任務(wù)和對硬件資源進(jìn)行管理的任務(wù)劃分為軟件任務(wù)。軟/硬件任務(wù)間的通信是一個(gè)需要重點(diǎn)思考的問(wèn)題。當前的很多可重構計算系統采用的都是軟/硬件任務(wù)非并行執行的方式。當軟件任務(wù)執行到某個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，會(huì )將應用執行的控制權交給可重構邏輯器件，然后軟件任務(wù)會(huì )一直等待可重構邏輯器件將計算結果和控制權返回給通用處理器再繼續執行。這無(wú)疑降低了系統的性能。更先進(jìn)的做法是軟件任務(wù)可以和硬件任務(wù)并行執行，兩者間以中斷或者其他方式互相通告狀態(tài)和傳遞數據。但是這么做會(huì )引入數據一致性、任務(wù)間同步等問(wèn)題，加大了系統管理的難度。軟/硬件任務(wù)的劃分一直以來(lái)都是在嵌入式系統研究中的難點(diǎn)，它的好壞直接影響到了應用的執行性能，但至今還是缺乏成熟的算法支持。

任務(wù)調度的支持。任務(wù)調度是傳統操作系統中的關(guān)鍵技術(shù)。在運行時(shí)可重構計算系統中，調度算法的好壞也直接影響到系統性能的高低。特別是針對大規模應用中的硬件任務(wù)不能夠一次性地配置到器件上的情況，任務(wù)調度顯得尤其重要。任務(wù)調度主要有兩個(gè)目的：一個(gè)是優(yōu)化器件的配置序列，另一個(gè)是充分利用器件上的資源。任務(wù)調度器應該盡可能地將要同時(shí)執行或者先后執行次序比較緊密的任務(wù)一次性地調度到器件上，同時(shí)在將任務(wù)調出器件的時(shí)候也要考慮到任務(wù)是否會(huì )在后續執行中又被使用到。調度器對配置序列進(jìn)行優(yōu)化，能夠減少配置過(guò)程帶來(lái)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，減輕配置時(shí)間太長(cháng)給系統帶來(lái)的瓶頸影響。器件上的資源是非常寶貴的，在任務(wù)繁重的時(shí)候應該保證有盡可能多的資源加入到計算當中。而且在對器件進(jìn)行部分配置的時(shí)候，也要重點(diǎn)考慮將那些當前空閑的資源配置為新的功能，以減少后面可能會(huì )導致的“抖動(dòng)”（器件上的現有功能被新的配置覆蓋后，應用執行過(guò)程又需要該功能時(shí)只能再次將該功能重新配置到器件上）。另外，如果應用對于能耗要求較高，任務(wù)調度還需要注意到器件上各個(gè)時(shí)鐘域里的資源利用情況，可以將功能集中實(shí)現在某一區域以達到降低能耗的目的。在后續的運行時(shí)可重構技術(shù)的研究探索中，還有可能涉及到軟/硬件任務(wù)遷移（migration）的情況，這就對調度器提出了更高的要求。

未來(lái)方向

上述是當前的運行時(shí)可重構計算技術(shù)研究中需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，國內外已經(jīng)有很多的機構都在潛心研究，希望能有所突破。雖然目前可重構計算技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但是為了能夠將它應用到更廣闊的空間，還需要做更多的工作。

并行的可重構計算系統架構。雖然可重構計算系統有著(zhù)較高性能和極強的靈活性，但在很多應用場(chǎng)合中，還是會(huì )碰到一些問(wèn)題。首先還是器件問(wèn)題。相對于通用處理器，當前的主流可重構邏輯器件的頻率仍舊較低，這就對進(jìn)一步加快應用執行性能產(chǎn)生了阻礙。其次，可重構計算系統不能很好地處理大型應用。因為系統處理能力和資源數量的約束，可重構計算系統對于大型應用的實(shí)現還存在著(zhù)很多問(wèn)題。最后是應用領(lǐng)域的獨特需求。目前在很多可重構計算系統適用的應用領(lǐng)域中，如穿戴計算、汽車(chē)電子等，系統分布化已經(jīng)成為了趨勢，可重構計算系統務(wù)必要能夠滿(mǎn)足應用需求?；谝陨蠋c(diǎn)，開(kāi)發(fā)并行的可重構計算系統架構已經(jīng)成為今后必然的趨勢。并行的可重構計算系統中包含有多個(gè)可重構計算系統，它們彼此間以可重構的網(wǎng)絡(luò )相連接。并行可重構計算系統中存在著(zhù)三個(gè)層次上的并行：第一是單個(gè)系統中可重構邏輯器件上的多個(gè)硬件任務(wù)間的并行；第二是單個(gè)系統中通用處理器上的軟件任務(wù)和可重構邏輯器件上的硬件任務(wù)間的并行；第三是各個(gè)系統間軟/硬件任務(wù)的并行。并行可重構計算系統中還存在著(zhù)兩個(gè)層次上的重構：一個(gè)是單個(gè)系統內部的器件重構，另一個(gè)是各個(gè)系統間的互連重構。并行可重構計算系統的結構要比傳統的分布式并行系統復雜很多，給系統管理和應用帶來(lái)了很多新的難題。

統一的應用開(kāi)發(fā)模型。當前可重構計算系統沒(méi)有被廣泛應用，還有一個(gè)很重要的因素就是現在的可重構計算系統并沒(méi)有提供給應用開(kāi)發(fā)者統一的應用開(kāi)發(fā)模型。因為可重構計算系統中有軟件任務(wù)和硬件任務(wù)的區分，而在應用開(kāi)發(fā)者中占絕大多數的軟件程序員們缺乏對硬件平臺的理解和編寫(xiě)硬件任務(wù)的能力。同時(shí)，軟件程序員和硬件設計者之間的溝通又往往不夠充分。這些都導致了應用開(kāi)發(fā)者利用可重構計算技術(shù)時(shí)的困難重重。又因為目前可以構成可重構計算系統的硬件資源門(mén)類(lèi)繁多，在一個(gè)系統上開(kāi)發(fā)的應用缺乏良好的移植性，所以沒(méi)有一個(gè)很好的方法能夠幫助開(kāi)發(fā)者們快速高效地開(kāi)發(fā)應用?；谝陨蟽牲c(diǎn)，現在需要做的是將可重構計算系統的底層實(shí)現對應用開(kāi)發(fā)者透明化，通過(guò)提供給應用開(kāi)發(fā)者們統一的應用開(kāi)發(fā)模型，使他們能夠按照慣常的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行可重構計算系統上的應用開(kāi)發(fā)。他們編寫(xiě)的代碼具有一定的可移植性，經(jīng)過(guò)可重構系統集成開(kāi)發(fā)環(huán)境處理后，可以直接在相應的可重構計算系統上運行。這個(gè)“統一化”的過(guò)程是復雜和困難的，但是如果希望可重構計算技術(shù)能夠深入人心，讓廣大應用開(kāi)發(fā)者認可并使用可重構計算技術(shù)，那么這個(gè)過(guò)程就是必需的。

可重構計算技術(shù)是一項新興的能夠有效提高系統計算能力的技術(shù)。它的誕生是為了滿(mǎn)足人們對計算性能永無(wú)窮盡的需求，在很多領(lǐng)域都有著(zhù)廣闊的應用前景。目前，可重構計算技術(shù)的研究尚處于初級階段，還有很多技術(shù)難題沒(méi)有得到圓滿(mǎn)解決。但是在可以預見(jiàn)的將來(lái)，伴隨著(zhù)可重構邏輯器件技術(shù)的不斷進(jìn)步，可重構計算技術(shù)一定能夠在更多的場(chǎng)合被應用，發(fā)揮出更多的效用。