This paper introduces a computer architecture, where part of the instruction set architecture (ISA) is implemented on small highly-integrated field-programmable gate arrays (FPGAs). It has already been demonstrated that small FPGAs inside a general-purpose processor (CPU) can be used effectively to implement custom instructions and, in some cases, approach accelerator-level of performance. Our proposed architecture goes one step further to directly address some related challenges for high-end CPUs, where such highly-integrated FPGAs would have the highest impact, including access to the memory hierarchy with the highest bandwidth available. The main contribution is the introduction of the "FPGA-extended modified Harvard architecture" model to enable software-transparent context-switching between processes with a different distribution of instructions. The simulation-based evaluation of a dynamically reconfigurable core shows promising results for single and multi-processing, approaching the performance of an equivalent core with all enabled instructions, and better performance than when featuring a fixed subset of the supported instructions. Finally, the feasibility of adopting the proposed architecture in today's CPUs is studied through the prototyping of fast-reconfigurable FPGAs and studying the miss behaviour of opcodes.


翻译:本文引入了一个计算机架构, 指令集架构的一部分(ISA)是针对高度集成的小型外地可编程门阵列(FPGAs)实施的, 已经证明可以在一般用途处理器(CPU)内有效地使用小型的FPGA(FPGA)来实施定制指令, 在某些情况下, 采用方法加速性能水平。 我们提议的架构更进一步, 直接应对高端CPU的一些相关挑战, 高端集成的CPGA(ISA)将产生最大影响, 包括使用可用最高带宽的存储层。 主要贡献是采用“ FPGA(FPGA)扩展型经修改的哈佛结构”模型, 以便能够在使用不同指令分布的流程之间进行软件透明的背景切换。 对动态可调和核心的模拟评价显示单一和多级处理的有希望的结果, 与所有启用指令的等效核心的性能相比, 与所支持指令的固定组别相比, 更好的性能。 最后, 在当今的CPUS(C) 采用拟议架构的可行性是通过快速配置和快速配置的可变式行为模型研究。

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