Design of Low-Power Coarse-Grained Reconfigurable Architectures
Application-specic optimization of embedded systems becomes inevitable to satisfy the market demand for designers to meet tighter constraints on cost, performance and power. On the other hand, the exibility of a system is also important to accommodate the short time-to-market requirements for em- bedded systems. To compromise these incompatible demands, coarse-grained recongurable architecture (CGRA) has emerged as a suitable solution. A typical CGRA requires many processing elements (PEs) and a conguration cache for reconguration of its PE array. However, such a structure consumes signicant area and power. Therefore, designing cost-eective CGRA has been a serious concern for reliability of CGRA-based embedded systems. ### 低功耗粗粒度可重构架构设计 #### 一、引言 随着嵌入式系统的广泛应用,针对特定应用的优化变得越来越重要。设计师必须满足市场上对成本、性能及功耗方面更严格的约束条件。此外,为了适应短时间上市的要求,系统还需要具备较高的灵活性。在这样的背景下,粗粒度可重构架构(Coarse-Grained Reconfigurable Architecture, CGRA)作为一种折衷方案应运而生。然而,典型的CGRA架构需要大量的处理单元(Processing Elements, PEs)和配置缓存来实现PE阵列的重构,这不仅会消耗大量的面积资源,还会带来较高的功耗问题。因此,如何设计出低成本且可靠的CGRA成为了确保基于CGRA的嵌入式系统可靠性的关键。 #### 二、CGRA的基本概念 CGRA是一种结合了固定功能硬件与可编程逻辑特性的计算平台。它通常由多个可编程的处理单元(PEs)、互联网络以及用于存储配置数据的内存组成。相比于传统的通用处理器或专用集成电路(ASIC),CGRA能够提供更好的灵活性和可定制性,同时保持较高的能效比。 - **处理单元(PEs)**:PE是CGRA中的基本计算单元,可以执行不同的算术逻辑运算。每个PE都具有一定的可配置性,可以通过改变其内部配置来支持不同的计算任务。 - **互联网络**:用于连接各个PEs,使得数据能够在不同PE之间传输。这种互联结构通常是可配置的,可以根据应用需求进行调整。 - **配置内存**:存储控制信号和配置数据,用于配置PEs和互联网络。 #### 三、低功耗CGRA的关键技术 为了设计出低功耗的CGRA架构,需要考虑以下几个关键技术: 1. **PE设计**:优化PE的设计是降低功耗的重要途径之一。可以通过减少PE内部的复杂度、采用高效的算术逻辑单元(ALUs)等方式来实现。 2. **动态电压和频率调节(DVFS)**:通过调整供电电压和工作频率,可以在不牺牲性能的情况下显著降低功耗。 3. **配置缓存优化**:配置缓存的大小和组织方式直接影响到总体功耗。优化配置缓存的设计可以有效减少不必要的能量消耗。 4. **智能调度算法**:通过对计算任务进行合理的调度,可以减少PE之间的通信次数,从而降低功耗。 5. **动态部分重构**:允许只在需要时重构部分PE,而不是整个PE阵列,这样可以节省大量的能量消耗。 #### 四、实例分析 以《低功耗粗粒度可重构架构设计》一书为例,该书深入探讨了如何设计出既能满足高性能需求又能有效控制功耗的CGRA架构。作者Yoonjin Kim和Rabi N. Mahapatra通过理论分析和实验验证,提出了多种低功耗设计方法和技术,并对其进行了详细的介绍和讨论。 - **PE设计案例**:书中提到了一种高效低功耗PE的设计方法,通过减少PE内部状态寄存器的数量和采用低功耗的ALUs等手段,实现了在保持足够灵活性的同时大幅降低功耗的目标。 - **配置缓存优化**:介绍了几种配置缓存的优化策略,如采用多级缓存结构、改进的数据布局等,以减少配置数据的读取次数和能耗。 - **动态重构技术**:讨论了动态重构技术的应用场景和实现方法,展示了如何利用这种技术在不影响系统整体性能的前提下降低功耗。 #### 五、总结 设计低功耗的CGRA是一项复杂的任务,涉及到PE设计、配置缓存优化、动态重构等多个方面的综合考量。通过采用先进的设计技术和方法,不仅可以有效降低功耗,还可以提高系统的整体性能和可靠性。随着未来嵌入式系统对能效比要求的不断提高,低功耗CGRA的研究将变得更加重要。
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- zhangleiict2012-12-18赞啊,很清晰,正好要用。
- black20262014-07-11很好,和介绍一样
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