LALP: uma linguagem para exploração do paralelismo de loops em computação reconfigurável

• Main Author: Menotti, Ricardo
• Other Authors: Cardoso, João Manuel Paiva
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2010
• Subjects: Compiladores; Compilers; Computação reconfigurável; FPGA; Reconfigurable computing
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-17082010-151100/

A computação reconfigurável tem se tornado cada vez mais importante em sistemas computacionais embarcados e de alto desempenho. Ela permite níveis de desempenho próximos aos obtidos com circuitos integrados de aplicação específica (ASIC), enquanto ainda mantém flexibilidade de projeto e implementação. No entanto, para programar eficientemente os dispositivos, é necessária experiência em desenvolvimento e domínio de linguagem de descrição de hardware (HDL), tais como VHDL ou Verilog. As técnicas empregadas na compilação em alto nível (por exemplo, a partir de programas em C) ainda possuem muitos pontos em aberto a serem resolvidos antes que se possa obter resultados eficientes. Muitos esforços em se obter um mapeamento direto de algoritmos em hardware se concentram em loops, uma vez que eles representam as regiões computacionalmente mais intensivas de muitos programas. Uma técnica particularmente útil para isto é a de loop pipelining, a qual geralmente é adaptada de técnicas de software pipelining. A aplicação dessas técnicas está fortemente relacionada ao escalonamento das instruções, o que frequentemente impede o uso otimizado dos recursos presentes nos FPGAs modernos. Esta tese descreve uma abordagem alternativa para o mapeamento direto de loops descritos em uma linguagem de alto nível para FPGAs. Diferentemente de outras abordagens, esta técnica não é proveniente das técnicas de software pipelining. Nas arquiteturas obtidas o controle das operações é distribuído, tornando desnecessária uma máquina de estados finitos para controlar a ordem das operações, o que permitiu a obtenção de implementações eficientes. A especificação de um bloco de hardware é feita por meio de uma linguagem de domínio específico (LALP), especialmente concebida para suportar a aplicação das técnicas. Embora a sintaxe da linguagem lembre C, ela contém certas construções que permitem intervenções do programador para garantir ou relaxar dependências de dados, conforme necessário, e assim otimizar o desempenho do hardware gerado === Reconfigurable computing is becoming increasingly important in embedded and high-performance computing systems. It allows performance levels close to the ones obtained with Application-Specific Integrated circuits (ASIC), while still keeping design and implementation flexibility. However, to efficiently program devices, one needs the expertise of hardware developers in order master hardware description languages (HDL) such as VHDL or Verilog. Attempts to furnish a high-level compilation flow (e.g., from C programs) still have to address open issues before broader efficient results can be obtained. Many efforts trying to achieve a direct of algorithms into hardware concentrate on loops since they represent the most computationally intensive regions of many application codes. A particularly useful technique for this purpose is loop pipelining, which is usually adapted from software pipelining techniques. The application of this technique is strongly related to instruction scheduling, whic often prevents an optimized use of the resources present in modern FPGAs. This thesis decribes an alternative approach to direct mapping loops described in high-level labguages onto FPGAs. Different from oyher approaches, this technique does not inherit from software pipelining techniques. The control is distributed over operations, thus a finite state machine is not necessary to control the order of operations, allowing efficient harware implementations. The specification of a hardware block is done by means of LALP, a domain specific language specially designed to help the application of the techniques. While the language syntax resembles C, it contains certain constructs that allow programmer interventions to enforce or relax data dependences as needed, and so optimize the performance of the generated hardware