Description and Specialization of Coarse-grained Reconfigurable Architectures

Abstract

The functionality of electronic embedded systems, such as mobile phones and digital cameras, becomes more complex at each product generation. This increasing complexity implies great challenges at the design phase of these devices, as designers have to deal with high performance and low energy requirements at a low production budget. In the last years, coarse-grained, dynamically reconfigurable computer systems have increasingly gain in importance as an alternative to cope with these challenges because they provide an optimal trade-off between flexibility-after-production and performance. Like generic purpose processors, coarse-grained reconfigurable systems can be quickly reprogrammed to perform new tasks, but they keep their performance and energy consumption near to ASIC standards. The design of coarse-grained reconfigurable processors is the main theme in this work. In the first part of this dissertation, I present a new architecture description language that was designed for the description of coarse-grained, reconfigurable systems. This language allows an efficient specification of processor arrays and the description of scalable interconnection networks. The second part of this dissertation investigates the specialization of coarse-grained reconfigurable processors towards an application domain by using custom instruction sets. This work presents methods, techniques, and tools to recognize and extract clusters of operations from a set of application. These clusters serve as patterns for the design of an optimal custom instruction set. Experiments and results are presented, which analyze and assess the impact of custom instructions on coarse-grained processor arrays.

Die Funktionalität eingebetteter Systeme wie Mobiltelefone und digitale Foto-Kameras wird zunehmend umfangreicher und bürdet dem Entwurf dieser Geräte hohe Herausforderungen auf, wie z.B. hohe Ausführungsgeschwindigkeit, niedrige Herstellungskosten und geringeren Energieverbrauch. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, gewinnen grobgranulare dynamische rekonfigurierbare Rechnersysteme schnell an Bedeutung, denn sie bieten einen optimalen trade-off zwischen Flexibilität nach der Herstellung und Performanz. Wie allgemeine Prozessoren, können grobgranulare rekonfigurierbare Systeme während der Ausführungszeit schnell umprogrammiert werden, um neue Funktionalitäten auszuführen, behalten aber immer noch eine ASIC-ähnliche Performanz und Verlustleistungsverbrauch. Der Entwurf grobgranularer rekonfigurierbarer Bausteine ist das Thema dieser Dissertation. Im ersten Teil dieser Dissertation wird eine Sprache vorgestellt, die für die Beschreibung grobgranularer rekonfigurierbarer Systeme entwickelt wurde. Diese Sprache ermöglicht eine effiziente Spezifikation von Prozessoren-Arrays und die Beschreibung skalierbarer Netzwerkverbindungen. Der zweite Teil untersucht die Anpassung grobgranularer rekonfigurierbarer Bausteine an Anwendungssätze mittels spezialisierter Befehle. Methoden werden vorgestellt zur Erkennung und Extraktion von Operationsmustern aus einem Anwendungssatz. Diese Operationsmuster dienen dann zum Entwurf eines optimalen spezialisierten Befehlsatzes. Als Ergebnisse werden die Wirkungen von spezialisierten Befehlsätzen in grobgranularen Arrays analysiert und bewertet.