可重构计算同时具有通用计算的灵活性和专用计算的高能量效率。灵活性的特点降低芯片的设计成本与时间,高能量效率的特点缓解通用处理器所面临的功耗墙问题。因此,可重构计算符合集成电路发展的趋势,是未来计算技术的重要发展方向。然而,可重构计算现在也面临着很多问题:在灵活性上,自动化的编译器设计是主要挑战;在能量效率上,与专用计算的明显差距是主要挑战。本论文研究可重构处理器的架构设计问题,目的是提高其能量效率。研究工作从性能和功耗两方面分别展开。在性能方面,当前可重构计算系统的最大问题是控制流和控制密集型应用逐渐成为总体性能的瓶颈,所以本论文将重点研究优化控制流性能的结构设计技术。在功耗方面,可重构处理器面临的主要问题之一是电路中大量的冗余资源和富余时间分布带来的功耗开销,所以本论文将重点研究门控电源技术和多电压域技术的结合与改进。在上述两个具体的方向,本论文提出了多种对可重构处理器有效的改进方法。并行条件技术通过设计快速的控制互联,增加条件执行技术的指令级并行度,从而提高条件分支类控制流的性能。配置分支技术通过设计本地配置控制单元,使可重构阵列能够完成原来主处理器的工作,实现循环类控制流的本地和高效执行。复合配置技术通过设计快速的数据互联,实现组合逻辑方式的计算,提高执行速度;同时,它通过将资源利用率较低的配置合并成复合配置来减少配置时间。可调双电压技术随着应用变化动态调节电压值,在可选双电压技术的基础上继续降低功耗。基于功耗模型的电压设计方法属于编译技术,它通过建立理想的电路级功耗模型,减少可调双电压技术中用于设计电压值的时间。结合论文提出的前三种技术,可重构处理器可以独立执行所有类型的控制流,与当前最先进技术相比,对控制密集型应用的性能提升超过39%,缓解了控制流对可重构处理器性能的瓶颈效应。另外两种技术提出可调双电压技术架构以优化可重构处理器的功耗。与单电压技术相比,动态功耗降低32%;与普通的固定双电压技术相比,动态功耗降低15%。同时,基于电路级功耗模型的电压设计技术使可调双电压技术的电压设计时间缩短了100~10000倍。总之,本论文提出的技术能够从架构设计的各个层面有效提升可重构处理器的能量效率。