基于嵌入式异构多核的信息检索硬件加速实现

摘要

随着计算机技术和互联网技术的发展，信息检索已经成为一项重要的技术，在各个领域都有着广泛的应用。因此，对信息检索进行硬件加速以提高计算效率就成为了一个重要的研究方向。随着集成电路技术的发展，多核处理器尤其是异构多核处理器逐渐成为计算机发展的主流，为信息检索技术提供了一个很好的平台。 传统的方法采用并行计算对信息检索进行加速，往往通过增加处理器的数目来提高并行度。另外一类定制方法是设计ASIC加速器，针对特定应用和特定算法进行加速。这些方法或者不能把定制核与通用核合成，或者不能灵活的运用于各种信息检索计算，不能有效地将ASIC技术与多核技术合成。基于这些研究现状，本文对使用异构多核体系结构来加速信息检索计算进行了探索和研究。 本文研究了单主核多辅助核的异构多核体系，其中主核使用PowerPC 405，而辅助处理核则是针对信息检索计算而定制的。本文针对信息检索计算设计了一个128位并行度专用处理核，以及一套专用、高效的RISC指令集。在该指令集中，还提供了SIMD指令，在关键字序列小于128位时，进一步提高并行度。为了提高辅助核的吞吐能力，辅助核使用本地存储器进行数据读写，并且针对信息检索设计了特殊的数据存储方式，以及灵活的组织形式。 本文还描述了使用自定义的指令集进行信息检索操作的编程模型，以及进行最基本的信息检索操作时，从数据的分配，LS(本地存储器)的组织，到系统运行、结果分析的整个计算流程。作为进一步的扩展，本文还给出了多辅助核以及多系统情况下的设计模型。 本文在Xilinx Vilins4 ML403开发板上实现并验证本系统，并且通过几组不同应用的信息检索计算进行测试，与通用处理器进行了比较。从测试的结果可以看出来，在同样不考虑软件算法的情况下，本系统比起通用处理器来说，取得了7～13倍的性能提升。 由测试结果可以看出，本文所提出的异构多核信息检索加速系统是具有正确性和先进性的。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录及表目录

第1章绪论

1.1课题相关背景

1.1.1处理器的发展

1.1.2 SoC与FPGA技术

1.1.3信息检索技术

1.2相关研究

1.3主要研究难点

1.4本文主要工作

1.5本文组织结构

第2章多核与信息检索相关研究综述

2.1多核相关研究

2.1.1传统并行计算

2.1.2多核技术的出现

2.1.3多核体系结构的分类

2.1.4多核技术带来的挑战

2.2信息检索相关研究

2.2.1信息检索算法

2.2.2信息检索的硬件加速

2.3目前存在的问题

2.4本章小结

第3章信息检索辅助加速处理核设计

3.1体系结构设计

3.1.1体系结构设计原则和目标

3.1.2总体设计框架

3.2辅助处理核设计

3.2.1指令集

3.2.2处理单元设计

3.2.3本地存储器的组织

3.3系统编程模型

3.4多辅助核扩展以及多系统扩展

3.5本章小结

第4章系统实现

4.1系统硬件环境

4.2软件开发环境

4.3 SoC实现

4.4系统参数

4.5汇编器实现

4.6本章小结

第5章系统测试与结果分析

5.1系统测试方法

5.2整体运行结果

5.3结果分析

5.4本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录 自定义指令集

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢