Compilation Techniques for Reconfigurable Architectures

Compilation Techniques for Reconfigurable Architectures pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:
作者:Cardoso, Joao M. P./ Diniz, Pedro C.
出品人:
页数:236
译者:
出版时间:2008-10
价格:$ 168.37
装帧:
isbn号码:9780387096704
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机
  • optimization
  • compiler
  • Reconfigurable Computing
  • Compilation
  • Architecture
  • Optimization
  • High-Level Synthesis
  • Hardware Design
  • Embedded Systems
  • FPGA
  • ASIC
  • Computer Architecture
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具体描述

This book describes a wide range of code transformations and mapping techniques for compiling programs written in high-level programming languages to reconfigurable architectures. While many of these transformations and mapping techniques have been developed in the context of compilation for traditional architectures and high-level synthesis, their application to reconfigurable architectures poses a whole new set of challenges - particularly when targeting fine-grained reconfigurable architectures such as contemporary Field-Programmable Gate-Arrays (FPGAs). Organized in eight chapters, "Compilation Techniques for Reconfigurable Architectures" provides a helpful structure for practitioners and graduate students in the area of computer science and electrical and computer engineering to effectively map computations to reconfigurable architectures.

《重构式计算硬件的编译优化之道》 本书深入探讨了为异构、可重构计算硬件(如FPGA、CGRAs等)开发高效编译技术所面临的独特挑战与创新解决方案。随着计算需求的日益增长,传统的通用处理器已显露出性能瓶颈,而可重构硬件以其高度的灵活性和潜在的性能优势,正逐渐成为科学计算、信号处理、人工智能等前沿领域的关键支撑。然而,将复杂的算法高效地映射到这些硬件之上,却需要一套极其精密的编译工具链。本书正是聚焦于这一核心议题,为读者提供一套系统的理论框架和实用的技术指导。 核心议题与技术深度: 本书不局限于单一的编译阶段,而是从整体上审视了从高层语言到最终硬件配置的完整编译流程。我们将首先剖析可重构硬件的内在特性,例如其可配置逻辑单元(CLBs)、可编程互连网络(Interconnects)以及数据流特性,并分析这些特性如何影响编译策略的选择。 数据流分析与优化: 对于可重构硬件而言,数据流的调度与管理是性能的关键。本书将详细介绍如何进行高效的数据流分析,包括依赖性分析、并行性识别以及循环展开等技术,以最大化硬件资源的利用率,减少数据搬运的开销。我们将探讨动态调度与静态调度在不同硬件平台上的适用性,以及如何利用先进的分析技术,如别名分析、指针分析,来获取更精确的程序行为信息。 资源分配与映射: 可重构硬件的资源,如查找表(LUTs)、寄存器、DSP块和内存,是有限且异构的。本书将深入研究如何有效地将程序中的计算任务和数据分配到这些物理资源上,并进行精确的映射。这涉及到对不同粒度计算单元(如指令、操作、函数)的划分,以及对这些单元在硬件逻辑和存储器上的分配策略。我们将分析启发式算法、组合优化技术(如整数线性规划)以及机器学习在资源分配中的应用潜力。 互连网络路由与布线: 可重构硬件的性能很大程度上取决于其内部互连网络的效率。本书将聚焦于如何为分配到不同逻辑单元上的计算操作规划最佳的互连路径,以最小化通信延迟和功耗。我们将探讨各种路由算法,如Floyd-Warshall、Dijkstra以及基于贪婪策略的算法,并分析其在不同规模和复杂度的可重构架构上的性能表现。此外,多层布线、通道路由以及考虑时序约束的布线技术也将得到详尽的阐述。 流水线化与并行化技术: 为了充分发挥可重构硬件的并行计算能力,流水线化和并行化是必不可少的手段。本书将深入探讨如何识别程序中的流水线机会,并根据硬件架构的特点设计有效的流水线调度策略。针对多核或多处理单元的可重构架构,我们将研究任务级并行、数据级并行以及指令级并行等多种并行化技术,并分析它们在编译时和运行时如何协同工作。 低功耗编译优化: 在移动设备和嵌入式系统中,功耗是重要的设计指标。本书将探讨如何在编译过程中引入低功耗优化技术,例如动态电压频率调整(DVFS)、门控技术以及数据重用策略,以降低可重构硬件的能耗,同时尽量减少对性能的影响。 面向特定应用的编译技术: 考虑到可重构硬件在特定应用领域的巨大潜力,本书还将探讨为高性能计算、数字信号处理(DSP)以及机器学习等领域定制化编译技术的必要性。我们将分析这些领域的核心算法特点,以及如何设计专门的编译器指令集扩展、优化库和模板,以实现极致的性能和效率。 高级抽象与中间表示: 为了更好地管理编译过程的复杂性,选择合适的中间表示(IR)至关重要。本书将对比分析多种编译器中间表示,例如LLVM IR、OpenCL C、以及专门为可重构硬件设计的领域特定语言(DSL)IR,并探讨如何进行IR的转换和优化。 本书的独特价值: 系统性与前瞻性: 本书并非零散的技术堆砌,而是从理论到实践,构建了一个完整的编译技术体系。它不仅涵盖了当前主流的编译技术,还对未来可能的发展方向进行了展望,如基于人工智能的自动编译优化、硬件感知型编译器等。 理论与实践相结合: 书中不仅阐述了深厚的理论基础,还提供了大量的实例分析和伪代码示例,帮助读者理解抽象概念在实际问题中的应用。 面向广泛读者群体: 本书适合于计算机体系结构、编译原理、EDA(电子设计自动化)领域的研究生、工程师,以及任何对高性能计算硬件和软件协同设计感兴趣的读者。 《重构式计算硬件的编译优化之道》旨在赋能读者,使其能够深入理解和掌握为快速发展的可重构计算硬件设计高效编译解决方案的核心技术,从而充分释放这些创新硬件平台的巨大潜力,推动下一代计算技术的进步。

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读后感

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用户评价

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这部著作以其深邃的洞察力和严谨的论述,在我阅读的诸多技术文献中留下了深刻的印象。它并非简单地罗列现有技术,而是致力于挖掘其背后的设计哲学与演化轨迹。作者在开篇即抛出了一个极具前瞻性的观点:现代计算系统对灵活性的需求正在以前所未有的速度增长,而传统的固化硬件架构已然成为制约创新的瓶颈。书中对“可重构性”这一核心概念进行了多维度的剖析,从硬件描述语言(HDL)的抽象层次,到底层物理实现的约束,再到高层算法的映射策略,勾勒出了一幅完整而立体的技术图景。尤其令人称道的是,作者并未止步于理论探讨,而是穿插了大量工程实践中的真实案例,这些案例清晰地展示了在资源受限和时间紧迫的项目中,如何运用精妙的编译策略来优化性能、降低功耗,并确保设计的可靠性。例如,对于大规模异构并行计算平台的编译优化,书中提出的多级流水线调度算法,有效解决了数据依赖和资源竞争问题,这在实际工作中是极具参考价值的宝贵经验。总而言之,这是一部能够引领读者超越现有技术框架,深入思考未来计算范式的权威之作。

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本书在处理“动态性”和“实时性”方面的编译策略,展现出极高的成熟度和创新性。不同于传统编译器的一次性生成模式,书中大量篇幅聚焦于如何处理需要在运行时改变配置的系统,例如软件定义的无线电(SDR)或自适应网络路由器。作者对“位流生成”和“部分重构管理”的章节,简直是一部精细操作手册,它详尽解释了如何最小化重构的开销——无论是时间上的停机延迟,还是空间上的资源占用。书中引入的基于图论的重构区域划分算法,使得系统可以在不中断核心功能的前提下,对特定功能模块进行快速迭代和升级,这在工业界的应用价值是无可估量的。此外,书中对功耗敏感型应用中的“电压-频率调节”与“配置调度”的耦合分析,也为构建能效比最优的嵌入式系统提供了强有力的理论支撑。总而言之,这本书以其对复杂性管理的深刻理解,为“可重构计算”从研究走向大规模工程实践铺平了道路,是一部兼具深度、广度和实用性的里程碑式著作。

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阅读这本厚重的书籍,如同进行了一场对复杂系统内部运作机制的深度解剖。它对“编译技术”的诠释,已经远远超出了传统的软件到机器码的转换范畴,而是将其提升到了一个系统级的设计层面。书中对目标架构特征分析的细致程度令人叹为观止,无论是针对特定领域架构(DSA)的定制化指令集扩展,还是对片上系统(SoC)中不同处理单元间通信带宽的建模与优化,都有详尽的数学推导和算法描述。我特别欣赏其中关于“约束满足问题(CSP)”在资源分配和布局布线阶段的应用。作者巧妙地将原本看似散乱的优化目标——时序、面积、功耗——转化为一个统一的优化框架,并通过引入启发式搜索和元启发式算法(如遗传算法和模拟退火)来求解这个高维度的NP难问题。这种将理论数学工具与实际硬件限制紧密结合的处理方式,使得书中的方法论具有极强的可操作性。对于希望在底层硬件加速领域深耕的工程师而言,这本书无疑是一部不可或缺的工具箱,它不仅教你“如何做”,更教你“为什么这样做是最优的”。

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这本书的叙事风格极其凝练,几乎没有冗余的辞藻,每一个章节都仿佛是经过千锤百炼的知识结晶。它侧重于构建一个完整的、自洽的理论体系,来指导如何将高级别的算法描述高效地固化到可重构硬件之上。其中关于“领域特定语言(DSL)”的设计与编译机制的探讨,尤其具有启发性。作者清晰地阐述了如何通过设计恰当的抽象层来屏蔽底层硬件的复杂性,从而加速应用开发周期。书中对数据流分析和控制流分离技术的论述,为理解现代硬件编译器的核心逻辑提供了坚实的基础。我深感,很多现有的商业工具在处理动态重构和部分位流更新时显得力不从心,而本书提供了一套系统的、基于静态分析的预编译框架,能够提前发现并解决潜在的性能瓶颈。这种“预见性优化”的理念,是本书最宝贵的贡献之一。对于从事FPGA和可编程逻辑设备(PLD)研究的学者来说,书中对不同重构粒度(粗粒度与细粒度)的优劣势分析,提供了极具价值的决策依据。

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我必须承认,这本书的阅读门槛相当高,它要求读者对数字电路设计、并行计算范式以及编译原理都有一定的基础。但一旦跨过这道坎,随之而来的知识回报是巨大的。这本书的价值在于,它没有将“重构”视为一种临时的解决方案,而是将其视为一种实现极致性能和灵活性的终极架构范式。书中详尽地介绍了针对高吞吐量应用场景下的循环展开与数据平铺技术,这些都是提升并行度、充分利用海量逻辑资源的“杀手级”技术。更进一步,作者还深入探讨了在系统级集成中,如何处理软硬件协同设计中的接口协议和数据一致性问题,这通常是实际项目中集成和调试的重灾区。书中提出的模块化编译流,极大地促进了不同团队之间协作的效率,通过定义清晰的输入输出契约,保证了即使底层硬件发生变化,上层算法设计也能保持相对的稳定性。对于那些正在构建下一代AI加速器或高性能科学计算平台的团队而言,本书提供的方法论将是绕不开的理论基石。

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