Increasingly complex applications and recent shifts in technology scaling have created a large demand for microprocessors which can perform tasks more quickly and more energy efficient. Conventional microarchitectures exploit multiple levels of parallelism to increase instruction throughput and use application specific instruction sets or hardware accelerators to increase energy efficiency. Reconfigurable microprocessors adopt the same principle of providing application specific hardware, however, with the significant advantage of post-fabrication flexibility. Not only does this offer similar gains in performance but also the flexibility to configure each device individually. This thesis explored the benefit of a tight coupled and fine-grained reconfigurable microprocessor. In contrast to previous research, a detailed design space exploration of logical architectures for island-style field programmable gate arrays (FPGAs) has been performed in the context of a commercial 22nm process technology. Other research projects either reused general purpose architectures or spent little effort to design and characterize custom fabrics, which are critical to system performance and the practicality of frequently proposed high-level software techniques. Here, detailed circuit implementations and a custom area model were used to estimate the performance of over 200 different logical FPGA architectures with single-driver routing. Results of this exploration revealed similar tradeoffs and trends described by previous studies. The number of lookup table (LUT) inputs and the structure of the global routing network were shown to have a major impact on the area delay product. However, results suggested a much larger region of efficient architectures than before. Finally, an architecture with 5-LUTs and 8 logic elements per cluster was selected. Modifications to the microprocessor, whichwas based on an industry proven instruction set architecture, and its software toolchain provided access to this embedded reconfigurable fabric via custom instructions. The baseline microprocessor was characterized with estimates from signoff data for a 28nm hardware implementation. A modified academic FPGA tool flow was used to transform Verilog implementations of custom instructions into a post-routing netlist with timing annotations. Simulation-based verification of the system was performed with a cycle-accurate processor model and diverse application benchmarks, ranging from signal processing, over encryption to computation of elementary functions. For these benchmarks, a significant increase in performance with speedups from 3 to 15 relative to the baseline microprocessor was achieved with the extended instruction set. Except for one case, application speedup clearly outweighed the area overhead for the extended system, even though the modeled fabric architecturewas primitive and contained no explicit arithmetic enhancements. Insights into fundamental tradeoffs of island-style FPGA architectures, the developed exploration flow, and a concrete cost model are relevant for the development of more advanced architectures. Hence, this work is a successful proof of concept and has laid the basis for further investigations into architectural extensions and physical implementations. Potential for further optimizationwas identified on multiple levels and numerous directions for future research were described. / Zunehmend komplexere Anwendungen und Besonderheiten moderner Halbleitertechnologien haben zu einer großen Nachfrage an leistungsfähigen und gleichzeitig sehr energieeffizienten Mikroprozessoren geführt. Konventionelle Architekturen versuchen den Befehlsdurchsatz durch Parallelisierung zu steigern und stellen anwendungsspezifische Befehlssätze oder Hardwarebeschleuniger zur Steigerung der Energieeffizienz bereit. Rekonfigurierbare Prozessoren ermöglichen ähnliche Performancesteigerungen und besitzen gleichzeitig den enormen Vorteil, dass die Spezialisierung auf eine bestimmte Anwendung nach der Herstellung erfolgen kann. In dieser Diplomarbeit wurde ein rekonfigurierbarer Mikroprozessor mit einem eng gekoppelten FPGA untersucht. Im Gegensatz zu früheren Forschungsansätzen wurde eine umfangreiche Entwurfsraumexploration der FPGA-Architektur im Zusammenhang mit einem kommerziellen 22nm Herstellungsprozess durchgeführt. Bisher verwendeten die meisten Forschungsprojekte entweder kommerzielle Architekturen, die nicht unbedingt auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten sind, oder die vorgeschlagenen FGPA-Komponenten wurden nur unzureichend untersucht und charakterisiert. Jedoch ist gerade dieser Baustein ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit über 200 verschiedene logische FPGA-Architekturen untersucht. Zur Modellierung wurden konkrete Schaltungstopologien und ein auf den Herstellungsprozess zugeschnittenes Modell zur Abschätzung der Layoutfläche verwendet. Generell wurden die gleichen Trends wie bei vorhergehenden und ähnlich umfangreichen Untersuchungen beobachtet. Auch hier wurden die Ergebnisse maßgeblich von der Größe der LUTs (engl. "Lookup Tables") und der Struktur des Routingnetzwerks bestimmt. Gleichzeitig wurde ein viel breiterer Bereich von Architekturen mit nahezu gleicher Effizienz identifiziert. Zur weiteren Evaluation wurde eine FPGA-Architektur mit 5-LUTs und 8 Logikelementen ausgewählt. Die Performance des ausgewählten Mikroprozessors, der auf einer erprobten Befehlssatzarchitektur aufbaut, wurde mit Ergebnissen eines 28nm Testchips abgeschätzt. Eine modifizierte Sammlung von akademischen Softwarewerkzeugen wurde verwendet, um Spezialbefehle auf die modellierte FPGA-Architektur abzubilden und eine Netzliste für die anschließende Simulation und Verifikation zu erzeugen. Für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungs-Benchmarks wurde eine relative Leistungssteigerung zwischen 3 und 15 gegenüber dem ursprünglichen Prozessor ermittelt. Obwohl die vorgeschlagene FPGA-Architektur vergleichsweise primitiv ist und keinerlei arithmetische Erweiterungen besitzt, musste dabei, bis auf eine Ausnahme, kein überproportionaler Anstieg der Chipfläche in Kauf genommen werden. Die gewonnen Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten zwischen den Architekturparametern, der entwickelte Ablauf für die Exploration und das konkrete Kostenmodell sind essenziell für weitere Verbesserungen der FPGA-Architektur. Die vorliegende Arbeit hat somit erfolgreich den Vorteil der untersuchten Systemarchitektur gezeigt und den Weg für mögliche Erweiterungen und Hardwareimplementierungen geebnet. Zusätzlich wurden eine Reihe von Optimierungen der Architektur und weitere potenziellen Forschungsansätzen aufgezeigt.

Partial dynamic reconfiguration of FPGAs has attracted high attention from both academia and industry in recent years. With this technique, the functionality of the programmable devices can be adapted at runtime to changing requirements. The approach allows designers to use FPGAs more efficiently: E. g. FPGA resources can be time-shared between different functions and the functions itself can be adapted to changing workloads at runtime. Thus partial dynamic reconfiguration enables a unique combination of software-like flexibility and hardware-like performance. Still there exists no common understanding on how to assess the overhead introduced by partial dynamic reconfiguration. This dissertation presents a new cost model for both the runtime and the memory overhead that results from partial dynamic reconfiguration. It is shown how the model can be incorporated into all stages of the design optimization for reconfigurable hardware. In particular digital circuits can be mapped onto FPGAs such that only small fractions of the hardware must be reconfigured at runtime, which saves time, memory, and energy. The design optimization is most efficient if it is applied during high level synthesis. This book describes how the cost model has been integrated into a new high level synthesis tool. The tool allows the designer to trade-off FPGA resource use versus reconfiguration overhead. It is shown that partial reconfiguration causes only small overhead if the design is optimized with regard to reconfiguration cost. A wide range of experimental results is provided that demonstrates the benefits of the applied method. / Partielle dynamische Rekonfiguration von FPGAs hat in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf sich gezogen. Die Technik erlaubt es, die Funktionalität von progammierbaren Bausteinen zur Laufzeit an veränderte Anforderungen anzupassen. Dynamische Rekonfiguration erlaubt es Entwicklern, FPGAs effizienter einzusetzen: z.B. können Ressourcen für verschiedene Funktionen wiederverwendet werden und die Funktionen selbst können zur Laufzeit an veränderte Verarbeitungsschritte angepasst werden. Insgesamt erlaubt partielle dynamische Rekonfiguration eine einzigartige Kombination von software-artiger Flexibilität und hardware-artiger Leistungsfähigkeit. Bis heute gibt es keine Übereinkunft darüber, wie der zusätzliche Aufwand, der durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird, zu bewerten ist. Diese Dissertation führt ein neues Kostenmodell für Laufzeit und Speicherbedarf ein, welche durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird. Es wird aufgezeigt, wie das Modell in alle Ebenen der Entwurfsoptimierung für rekonfigurierbare Hardware einbezogen werden kann. Insbesondere wird gezeigt, wie digitale Schaltungen derart auf FPGAs abgebildet werden können, sodass nur wenig Ressourcen der Hardware zur Laufzeit rekonfiguriert werden müssen. Dadurch kann Zeit, Speicher und Energie eingespart werden. Die Entwurfsoptimierung ist am effektivsten, wenn sie auf der Ebene der High-Level-Synthese angewendet wird. Diese Arbeit beschreibt, wie das Kostenmodell in ein neuartiges Werkzeug für die High-Level-Synthese integriert wurde. Das Werkzeug erlaubt es, beim Entwurf die Nutzung von FPGA-Ressourcen gegen den Rekonfigurationsaufwand abzuwägen. Es wird gezeigt, dass partielle Rekonfiguration nur wenig Kosten verursacht, wenn der Entwurf bezüglich Rekonfigurationskosten optimiert wird. Eine Anzahl von Beispielen und experimentellen Ergebnissen belegt die Vorteile der angewendeten Methodik.