混合粒度可重构架构的编程方法研究及编译器前端设计

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当前对计算系统高效性和灵活性的需求日益增加。可重构处理器兼具专用集成电路的运算高效性与通用处理器的编程灵活性,近年来受到了广泛关注。细粒度可重构结构(Fine-Grained Reconfigurable Architecture,FGRA)在比特级进行配置,具有良好的配置灵活性。粗粒度可重构结构(Coarse-Grained Reconfigurable Architecture,CGRA)由大量的功能单元(Functional Unit,FU)互连组成,FU支持常见的字级操作,CGRA在加速高吞吐量应用程序时具有更高的性能。混合粒度可重构架构结合了FGRA和CGRA的优点,是未来处理计算密集型应用的理想平台。本论文针对混合粒度可重构架构,提出了一种支持细粒度计算和多个可重构处理单元(Reconfigurable Processing Unit,RPU)并行执行的编程语言扩展方案并实现了编译器前端。为充分利用该架构中不同粒度的可重构资源和粗粒度可重构阵列的多RPU资源,在编译器前端添加细粒度关键字并提供FGRA编程接口;通过指定RPU执行及异步调用方式实现多RPU并行执行。为充分利用可执行资源,本文根据架构特点和计算模型,提出了三种面向不同应用场景的并行性相关编程语法,简化了程序员的编程工作,提高了编程效率。对于不同模块的代码,用关键字进行标记,基于Clang编译框架添加语法支持。编译器前端以扩展后的编程语言编写的程序作为输入,当编译器识别到关键字时自动提取被标记的并行代码段,将其表示为特定形式的中间表示语言提供给编译器后端做后续处理。本论文对该编程语言扩展方案及编译器前端进行了功能验证和性能分析。从FGRA接口功能验证、指定RPU调用功能验证、粗粒度多任务功能验证这三个方面来验证编译器前端的功能正确性。对具有上述功能的源程序,编译器前端对其进行编译并生成正确的中间表示。本文采用典型的计算密集型应用评估性能,用所开发的编译器进行编译。结果显示,相较于通用处理器,对于不同应用CGRA获得了553倍的性能加速。实验结果验证了本文编译器前端的功能正确性,证明了该编程语言扩展方案和编译器前端设计方案的可行性与合理性。
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