在核磁共振、雷达成像、大数据分析等应用领域中,数据处理具有运算量大、数据吞吐量大、实时性要求高等特点,对处理器的运算能力和并行度、数据吞吐能力提出了更高的要求。目前,此类任务多在通用处理器或专用芯片上执行。专用芯片是为某一特定任务定制的芯片,具有极强的性能,但是其功能有很大的局限性,只能执行特定的任务。通用处理器是使用软件方式实现运算任务,难以满足大数据、高实时性场景下的应用要求。当单芯片集成密度超过10亿个晶体管,一种位于通用处理器与专用芯片之间的小核大阵列结构型粗粒度可重构多核处理器架构逐渐成为高密度计算的主流架构。这种架构中以数百个运算单元提供T级计算能力,采用高性能片上网络提供运算单元间高并行、高带宽数据交互能力,使用重构计算技术定制运算单元功能和单元间的数据流向,实现算法与结构的高度契合。基于以上背景,本文对项目组已完成对异构多核处理器HMCS(Heterogeneous Multicore Computing System)进行了优化设计,完成了改进的异构多核处理器HMCSII设计与实现工作。本文的主要工作如下:首先,规范了系统内各层次工作机制,包括主控器顶层工作机制、运算节点行为、片上网络数据传输行为,以及数据存储格式和数据描述方法,有效改善了整机的可扩展性;其次,完善了HMCS-II系统内部关键模块设计,包括主控制器指令集和主控制器内核、片上网络及其接口、多通道外部访存接口;再次,完成了HMCS-II芯片的系统集成,并在FPGA芯片上进行了全部后端工作,完成加载真实应用的全系统硬件原型开发工作;最后,搭建了验证测试环境,设计了应用软件辅助编程环境和调试环境,对部分典型算法进行了编程加载测,对HMCS-II进行了功能和性能评估,验证了设计的正确性和架构优势。