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在大眾已經(jīng)習慣的計算模式中，處理器和專用集成電路（ASIC）一直是兩大主流。伴隨著應用領域特別是嵌入式環(huán)境對系統(tǒng)的性能、能耗、上市時間等指標需求的不斷提高，傳統(tǒng)的計算模式暴露出了種種弊端?？芍貥嬘嬎慵夹g集中了處理器和專用集成電路的優(yōu)勢，能夠提供高效靈活的計算能力，自上世紀九十年代以來越來越受到業(yè)界的重視。不過，目前對可重構計算技術的研究仍舊處于初期階段，還有很多難題等待解決。

可重構沖擊傳統(tǒng)計算模式

面臨一個應用，如何去實現(xiàn)它？軟件設計者會使用編程語言編寫一段代碼，將其編譯后在處理器上執(zhí)行；硬件設計者則會利用原理圖或者硬件描述語言進行設計，然后以專用集成電路的方式實現(xiàn)。處理器和專用集成電路已經(jīng)成為了傳統(tǒng)計算模式的兩大主流，我們也已經(jīng)習慣了這兩種計算模式。但在和這兩位“老朋友”打交道的時候，仍舊會時不時感覺到有很多不盡如人意的地方。

處理器（包括通用處理器和各種專用的嵌入式處理器）計算模式的特點在于它們都具有各自的指令集，通過執(zhí)行指令集中的相關指令來完成計算，改寫軟件指令就能改變系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，而不用去改動底層的硬件環(huán)境。但處理器的運算速度要比ASIC慢很多，這主要是因為處理器必須從存儲器中讀取每條指令，將其譯碼后再執(zhí)行，因而每個獨立的操作具有更高的執(zhí)行開銷。另外，處理器的指令集是由處理器自身體系結構決定的，沒有用專門指令實現(xiàn)的操作只能使用已有的指令組合來處理，這也增加了執(zhí)行的開銷。

專用集成電路是針對某一特定應用專門設計的硬件電路。專用集成電路計算模式的特點在于用硬件來實現(xiàn)應用的操作。因為針對特定應用設計，所以在執(zhí)行相應應用時具有很高的速度、效率和精度。但其缺陷在于開發(fā)周期太長，代價太高。而且硬件電路一旦制作好以后是不能夠被隨意改動的。這就意味著如果功能的需求發(fā)生了變化，就需要重新設計和重新加工新的專用集成電路芯片。哪怕只是芯片上的很小一部分線路需要修改，也要重新制作整個芯片。如果針對各種不同的應用都專門設計專用的電路芯片，就會帶來高昂的成本。

由此可見，現(xiàn)有的主流計算模式中存在的主要問題是:處理器方式能夠靈活地實現(xiàn)各種應用，但卻在性能上有缺陷；而硬件邏輯實現(xiàn)性能雖然高，但靈活性卻很差。為了在計算性能和實現(xiàn)靈活性上做一個很好的權衡，可重構計算（ ）技術浮出了水面。

技術發(fā)展現(xiàn)狀

可重構計算的概念早在上個世紀六七十年代就有學者以不同的表述方式提出過。由于技術條件的限制，直到九十年代中期才逐漸興起。目前比較權威的定義是“設立物理控制點定制硬件該如何工作，通過改動這些控制點使用戶能夠使用相同的硬件執(zhí)行不同的應用”。當前已經(jīng)有多個基于可重構計算技術的原型系統(tǒng)被開發(fā)出來，運用在自動目標識別、串匹配、數(shù)據(jù)壓縮等應用領域，取得了非常好的效果。最近幾年，可重構計算技術已經(jīng)邁過了探索階段，研究者們開始更深入地對可重構計算通用模型進行研究，為后續(xù)的可重構計算系統(tǒng)的廣泛應用打好基礎。

當前在研的可重構計算系統(tǒng)往往由一個或多個可重構邏輯器件以協(xié)處理器的方式和一個通用處理器耦合而成，如圖2所示。這里的可重構邏輯器件可以是系統(tǒng)定制的，也可以是商業(yè)化的部件（如FPGA芯片）。對可重構邏輯器件進行的配置可以使它實現(xiàn)相應的功能，能夠以準ASIC的計算速度對應用中的計算密集部分給予加速執(zhí)行以提高整個應用的執(zhí)行性能。系統(tǒng)中的通用處理器主要負責對可重構邏輯器件進行資源管理和任務調度。另外，應用中存在的那些不能夠采用硬件邏輯實現(xiàn)或者采用硬件實現(xiàn)也不會帶來很大性能收益的部分也需要在通用處理器上編程實現(xiàn)，例如遞歸操作。因為每一層遞歸都需要使用相同的資源，而遞歸的層數(shù)又往往不能預先知道，硬件無法預留夠充足的資源，所以此類操作適合在通用處理器上實現(xiàn)。

可重構計算技術的研究對可重構邏輯器件的開發(fā)有著極強的依賴性。正是由于可重構計算系統(tǒng)中使用了可編程邏輯器件，才使得它能夠高效靈活地實現(xiàn)多種應用。在研究的早期，研究者們受到可重構邏輯器件的限制，并不能開展很多卓有成效的工作。因為缺乏統(tǒng)一的可重構硬件平臺，一些研究機構針對某些特定應用開發(fā)了自己相應的可重構邏輯器件。這些器件缺乏一致的模型，彼此間不兼容，不具有普適性。而專門的可重構邏輯器件開發(fā)帶來的高昂代價也給可重構計算技術的普及設置了巨大的障礙。伴隨著超大規(guī)模集成電路技術的不斷進步，集成在芯片上的門電路數(shù)目可以做到“數(shù)以百萬計”，這使得業(yè)界能夠設計出功能強大結構復雜的可重構邏輯器件，也昭示著可重構計算技術迎來了發(fā)展的大好時機。當前的很多商業(yè)化可重構邏輯器件具備有充足的可編程邏輯資源，有的芯片上還集成了乘法器、RAM等結構，在最近的高端產(chǎn)品上更是集成了處理器核來增強系統(tǒng)的功能和性能。