Σχεδιαση Συστηματος Ψηφιδας Με Δυνατοτητες Simd Δυναμικης Επαναδιαταξης

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση ενός δυναμικά επαναδιατάξιμου συστήματος επεξεργασίας. Το σύστημα αυτό σχεδιάστηκε, στα πλαίσια της εργασίας, για τη μελέτη της αποδοτικότητας και της αποτελεσματικότητας του συνδυασμού επαναδιατάξιμου υλικού με γενικού σκοπού επεξεργαστές για την υλοποίηση εφαρμογών επιπέδου λέξης και μεγάλης έντασης υπολογισμών. Το συγκεκριμένο σύστημα είναι ένα ολοκληρωμένο και επαναδιατάξιμο σύστημα σε ψηφίδα (System-On-Chip, SoC), με βαθμό επαναδιατάξης επιπέδου λέξης και πλάτος χειριστή δεδομένων (data-path) ίσο με 16 bits.Στοχεύει στην απεικόνιση εφαρμογών με υψηλό ρυθμό εξόδου και παραλληλία δεδομένων. Αποτελεί επέκταση ενός SoC (με την ονομασία MicroSoc([1],[2])) που έχει ήδη σχεδιαστεί στο "Εργαστήριο Μικρουπολογιστών και Ψηφιακών Συστημάτων" του Ε.Μ.Π, με την προσθήκη σε αυτό μιας περιφερειακής μονάδας επαναδιατάξιμης λογικής. Για το λόγο αυτό, στο εξής θα αναφερόμαστε στο επαναδιατάξιμο σύστημα που περιγράφουμε με το όνομα rMicroSoc (reconfigurable MicroSoc). To rMicroSoc αποτελείται από έναν πυρήνα επεξεργασίας αρχιτεκτονικής ARM[3], ένα σύστημα μνημών με μνήμες RAM, ROM και ένα αρχείο καταχωρητών, κυκλώματα για την υλοποίηση του διαδρόμου επικοινωνίας αρχιτεκτονικής AMBA ASB[4] και ένα περιφερειακό σύστημα επαναδιατάξιμης λογικής. Το περιφερειακό αυτό απαρτίζεται -στη βάση του- από 16 επαναδιατάξιμες μονάδες επεξεργασίας, οργανωμένες σε έναν 4x4 πίνακα ακολουθώντας το μοντέλο επεξεργασίας SIMD([5],[6]). Άλλα συστατικά στοιχεία του περιφερειακού είναι δύο μνήμες -μία μνήμη δεδομένων επεξεργασίας και μία μνήμη δεδομένων διαμόρφωσης-, κυκλώματα που υλοποιούν τη διεπαφή σύνδεσης του περιφερειακού σαν "σκλάβου" (slave) στο σύστημα διαδρόμων AMBA ASB του rMicroSoc και διάφορες άλλες βοηθητικές μονάδες. Η αρχιτεκτονική και ο τρόπος λειτουργίας του περιφερειακού αυτού βασίζονται στο σύστημα MorphoSys[7], το οποίο είναι επίσης ένα επαναδιατάξιμο SoC, με βαθμό επαναδιάταξης επιπέδου λέξης. Το MorphoSys αναπτύχθηκε στην αρχική του μορφή από μια ομάδα επιστημόνων του τμήματος Ηλεκτρολόγων μηχανικών και μηχανικών Η/Υ του πανεπιστημίου της Καλιφόρνια και του πανεπιστημίου του Ρίο Ντε Τζανέιρο. Στο πρώτο κομμάτι της εργασίας παρουσιάζονται κάποια θεωρητικά στοιχεία, τα οποία συμβάλλουν στην καλύτερη κατανόηση της σχεδίασης και της αρχιτεκτονικής του rMicroSoc. Συγκεκριμένα, αρχικά δίνονται πληροφορίες γενικά για τα επαναδιατάξιμα συστήματα επεξεργασίας και ακολούθως για το μοντέλο επεξεργασίας SIMD. Στη συνέχεια αναλύεται η αρχιτεκτονική και η λειτουργία του επαναδιατάξιμου συστήματος MorphoSys -πάνω στο οποίο βασίστηκε και η αρχιτεκτονική του rMicroSoc-, καθώς και του MicroSoc.Μάλιστα, στα πλαίσια της περιγραφής του τελευταίου συστήματος, δίνονται πληροφορίες για την αρχιτεκτονική ARM επεξεργαστών και η αρχιτεκτονική του συστήματος διαδρόμων επικοινωνίας AMBA. Έπειτα, ακολουθεί η αναλυτική παρουσίαση όλων των χαρακτηριστικών, της αρχιτεκτονικής και της λειτουργίας του συστήματος rMicroSoc. Στο τέλευταίο κομμάτι του κειμένου παρουσιάζονται οι τρεις εφαρμογές που απεικονίστηκαν πειραματικά στο επαναδιατάξιμο σύστημα (φίλτρο FIR 4-tap, φίλτρο FIR 16-tap και 1-D μετασχηματισμός DCT σε μπλοκ εικόνας 8x8), καθώς και τα αποτελέσματα συγκριτικών μετρήσεων μεταξύ των απεικονίσεων αυτών και αντίστοιχων απεικονίσεων υλοποιημένων σε λογισμικό.