新型 FPGA 平臺具有高度的靈活性和可擴展性，且集成度高，能夠在單個或兩個芯片上集成一個完整的異構(gòu)動態(tài)運算系統(tǒng)。
自適應(yīng)硬件在諸如導(dǎo)彈電子和軟件無線電等功耗和系統(tǒng)尺寸有限，同時對環(huán)境高度敏感的應(yīng)用中非常有用。采用動態(tài)重配置技術(shù)，可以在不增加系統(tǒng)功耗或電路板尺寸的情況下，實現(xiàn)支持不同應(yīng)用模式的專用架構(gòu)。傳統(tǒng)解決方案側(cè)重于控制部分，現(xiàn)在看來似乎已經(jīng)不能有效地滿足執(zhí)行單元的數(shù)量及其異構(gòu)性要求。只有采用兼具靈活性和可擴展性的分布式方案，才能夠創(chuàng)建出面向未來的架構(gòu)。
雖然這種技術(shù)潛力無限，但對整個業(yè)界來說，動態(tài)重配置的使用仍然有相當大的難度。工程師需要一種清晰明確的設(shè)計方式，既能夠充分地發(fā)揮動態(tài)重配置的優(yōu)勢，又不影響應(yīng)用描述，而且最重要的是，不增加開發(fā)成本。為了將動態(tài)性和高性能結(jié)合起來，我們建議采用基于多線程的執(zhí)行模型對異構(gòu)性進行抽象。開發(fā)人員可以將應(yīng)用當作線程集來進行編程，而不必考慮線程是在標準處理器還是專用硬件上執(zhí)行。在這種情況下，動態(tài)重配置的作用是進行線程優(yōu)先調(diào)度(thread preemption)和上下文切換。由法國國家研究署 (French National Research Agency (ANR)) 贊助的 FOSFOR(靈活的可重配置平臺操作系統(tǒng))項目就專門負責開發(fā)這種新一代嵌入式、分布式實時操作系統(tǒng)。
1 FOSFOR 架構(gòu)基礎(chǔ)
我們的目標是設(shè)計一種支持新的系統(tǒng)分區(qū)類型的架構(gòu)，讓軟/硬件組件遵循同一執(zhí)行模型。這就要求高度靈活的可擴展操作系統(tǒng)，能夠為軟件域和硬件域提供相似的接口。與傳統(tǒng)方法不同，這種操作系統(tǒng)是完全分布式的，整個平臺從應(yīng)用的角度來看是同構(gòu)的。這就意味著既能以靜態(tài)方式，也能以動態(tài)方式在軟件(處理器)或者硬件(可重配置單元)中部署應(yīng)用線程，對分布式服務(wù)進行無差別的訪問。
為了實現(xiàn)高效率，我們在緊鄰可重配置區(qū)的硬件中實現(xiàn)操作系統(tǒng)服務(wù)。我們在異構(gòu)操作系統(tǒng)內(nèi)核之間實現(xiàn)了一個通信層，以確保從應(yīng)用角度看服務(wù)是同構(gòu)的。因此，將操作系統(tǒng)當作大量模塊和執(zhí)行單元部署在架構(gòu)上，可以充分發(fā)揮虛擬化機制的優(yōu)勢，從而使應(yīng)用線程在未預(yù)知任務(wù)的情況下運行和通信。
從編程人員的角度來看，該應(yīng)用只是個線程集。我們可以利用賽靈思 FPGA 的動態(tài)重配置功能來提議這種硬件線程的新概念，同時也可采用與軟件線程相同的方式來實現(xiàn)這一概念。我們的實現(xiàn)方式充分發(fā)揮了專用計算 IP 模塊的性能優(yōu)勢。
除了要考慮到多處理器 SoC 中的執(zhí)行單元，存儲器結(jié)構(gòu)還必須滿足以下幾項要求：應(yīng)用線程需要的數(shù)據(jù)存儲、每個線程執(zhí)行上下文的存儲以及線程間的數(shù)據(jù)交換。對于執(zhí)行上下文的存儲，我們認為有多種可能性。一種方式是集中存儲執(zhí)行上下文，這樣為將其分配到不同執(zhí)行單元提供介質(zhì)。我們可以確認平臺內(nèi)的三種通信流：應(yīng)用數(shù)據(jù)、控制信號和重配置/執(zhí)行上下文。對于硬件線程之間的高帶寬數(shù)據(jù)路徑，我們使用專用的片上網(wǎng)絡(luò) (NoC)。
圖1 通用 FOSFOR 架構(gòu)
圖中文字：
靈活的操作系統(tǒng) 軟件 線程 應(yīng)用 中間件(虛擬化、分布、靈活性) 操作系統(tǒng) 1(X 服務(wù)) 操作系統(tǒng) n(Y 服務(wù)) 硬件抽象層 (HAL) 軟件通信單元 硬件通信單元 硬件 軟件節(jié)點 (GPP) 硬件節(jié)點(可重配置區(qū)域) 片上網(wǎng)絡(luò) 共享存儲器[!--empirenews.page--]2 全局架構(gòu)
全局架構(gòu)如圖1 所示，其組成包括：
一系列非專用(通用)處理器 (GPP)。GPP 負責支持軟件線程的執(zhí)行，以及包括線程調(diào)度在內(nèi)的一系列操作系統(tǒng)服務(wù)。GPP 在指令集架構(gòu)和提供的服務(wù)數(shù)量方面不必同構(gòu)。
一系列動態(tài)可重配置分區(qū)(也稱可重配置區(qū)域 (RR))。動態(tài)可重配置分區(qū)負責并行或串行執(zhí)行一系列硬件線程。與 GPP 相似，由于采用硬件操作系統(tǒng) (HwOS)，RR 也支持操作系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行。這些區(qū)域?qū)?yīng)著精粒度 (FPGA) 或粗粒度(可重配置處理器)架構(gòu)。
共享著一條或多條物理通信通道的虛擬通信通道，用于控制、數(shù)據(jù)和配置。控制通道負責把操作系統(tǒng)服務(wù)之間的通信分配給執(zhí)行單元(GPP 和 RR)。數(shù)據(jù)通道負責傳輸與環(huán)境(器件、傳感器)有關(guān)的信息和線程之間的信息交換。配置通道負責在配置存儲器和執(zhí)行單元之間傳輸軟件線程(二進制代碼)和硬件線程(部分比特流)的配置。
每個處理器都有自己的本地存儲器。該存儲器負責存儲本地數(shù)據(jù)，在適用的情況下，也可存儲軟件代碼。連接到數(shù)據(jù)通道的共享存儲器可以實現(xiàn)不同處理器上線程間的數(shù)據(jù)共享。每個執(zhí)行單元都可以訪問共享存儲器上存儲的數(shù)據(jù)和軟件執(zhí)行資源程序。每個資源還可以訪問配置存儲器，以保存和恢復(fù)其執(zhí)行上下文。采用這種結(jié)構(gòu)，可以在任何執(zhí)行資源上實現(xiàn)任何線程或服務(wù)。
在 RR 內(nèi)部，只有硬件任務(wù)需要動態(tài)重配置。負責托管任務(wù)的動態(tài)區(qū)域 (DR) 被包含操作系統(tǒng)服務(wù)硬件實現(xiàn)的靜態(tài)區(qū)域 (SR) 所包圍，同時在 RR 內(nèi)外部提供通信介質(zhì)。內(nèi)部數(shù)據(jù)流通信依靠專用的片上網(wǎng)絡(luò)。DR 和 SR 之間的接口采用總線宏并且有固定的位置。為實現(xiàn)該約束以及通信介質(zhì)異構(gòu)性的抽象，我們采用中間件方案來提供到可重配置分區(qū)的虛擬訪問。RR 根據(jù)圖 2 中定義的模型構(gòu)建。FOSFOR 原型平臺由能夠直接支持這種架構(gòu)模型的動態(tài)可重配置 FPGA 器件構(gòu)成。我們選用了 Virtex-5? 器件，因為其能夠重配置矩形區(qū)域。
我們根據(jù)預(yù)先測算的應(yīng)用線程資源需求定義了調(diào)度/布局算法，以確保每個 RR 中 FPGA 元件(LUT、寄存器、分布式存儲器、I/O)的高效利用。
圖2 可重配置區(qū)域結(jié)構(gòu)
圖中文字：
控制 上下文(比特流) 靜態(tài)區(qū)域 可重配置區(qū)域 靜態(tài)區(qū)域 數(shù)據(jù) 硬件操作系統(tǒng) 控制 動態(tài)區(qū)域 線程 數(shù)據(jù) 片上網(wǎng)絡(luò) 硬件分區(qū)
3 操作系統(tǒng)、片上網(wǎng)絡(luò)及中間件
為具備靈活性，F(xiàn)OSFOR 架構(gòu)使用了至少兩個操作系統(tǒng)實例：一個為運行在每個處理器上且負責處理軟件線程的軟件操作系統(tǒng);另一個為能夠管理硬件線程的硬件操作系統(tǒng)。為了在性能、開發(fā)時間以及標準化之間實現(xiàn)最佳平衡，我們使用了現(xiàn)有的軟件操作系統(tǒng)和全新的硬件操作系統(tǒng)。
該硬件操作系統(tǒng)利用賽靈思 FPGA 的動態(tài)部分重配置功能，在調(diào)度硬件線程方面與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)度軟件線程一樣靈活。
對軟件操作系統(tǒng)的要求是實時行為、能夠處理多個處理器并提供基本的進程間通信服務(wù)。我們選用了一個免費的開源操作系統(tǒng) RTEMS。出于兼容性原因，我們選用了 LEON Sparc 軟核處理器，同軟件節(jié)點一樣，其也是免費和開源的。
該硬件操作系統(tǒng)(HwOS)利用賽靈思 FPGA 的動態(tài)部分重配置功能，在調(diào)度硬件線程方面與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)度軟件線程一樣靈活。硬件線程由動態(tài)和靜態(tài)兩大部分組成。動態(tài)部分內(nèi)含一個用來執(zhí)行線程功能的 IP 模塊和一個用來使服務(wù)調(diào)用次序與硬件操作系統(tǒng)同步的有限狀態(tài)機。靜態(tài)部分則內(nèi)含一個與硬件操作系統(tǒng)相連的控制接口和一個用于與其它軟硬件任務(wù)進行交換數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接口。
為支持多種線程間數(shù)據(jù)傳輸需要，我們開發(fā)出了一種靈活的片上網(wǎng)絡(luò) DRAFT。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的通信服務(wù)足以支持軟件線程間的通信。但在我們的設(shè)計中，操作系統(tǒng)還需要支持硬件線程間的通信。為此，我們專門設(shè)計了 DRAFT 網(wǎng)絡(luò)。我們針對一個或者多個 DR 逐一綜合硬件線程，同時靜態(tài)地定義每個 DR 接口。
通信接口的靜態(tài)定義讓我們可以定義靜態(tài)的片上網(wǎng)絡(luò)。一般來說，硬件線程要求高帶寬和低時延，故片上網(wǎng)絡(luò)必須提供高性能。我們?yōu)?DRAFT 選擇的拓撲是一種胖樹拓撲的擴展。我們設(shè)計的主要目的是為了限制資源開銷，同時實現(xiàn)高性能的線程間通信。
硬件平臺的異構(gòu)性是設(shè)計人員部署應(yīng)用時面臨的主要的復(fù)雜性障礙。在 FOSFOR 項目中，這種異構(gòu)性不僅來自軟件域中的不同嵌入式處理器，還來自在單個平臺上同時集成軟件和硬件計算模型的做法。
采用中間件在硬件和軟件間建立抽象層，并提供同構(gòu)編程模型，可以很好地解決這一問題。中間件實現(xiàn)了一組虛擬通道，可以在不必理會線程的實現(xiàn)區(qū)域的情況下進行線程間通信。這些服務(wù)跨平臺分布，提供了一個靈活的可擴展抽象層，讓 FOSFOR 構(gòu)想臻于完善。[!--empirenews.page--]4 性能加速
構(gòu)建硬件操作系統(tǒng)的主要原因出于性能和靈活性方面的考慮。該操作系統(tǒng)本可以采用純軟件或純硬件。由于每次調(diào)用操作系統(tǒng)原語都會涉及開銷，即線程等待時間，操作系統(tǒng)速度越快，浪費的時間就越少。為了評估開銷，我們必須就硬件操作系統(tǒng)的時序和原始的軟件操作系統(tǒng) RTEMS 做一比較。
硬件本地運行只需要數(shù)十個周期，而為了訪問共享存儲器，硬件全局運行需要數(shù)百個周期。經(jīng)我們評估，與軟件操作系統(tǒng)的運行結(jié)果相比，本地創(chuàng)建-刪除操作速度提高了 60 倍，其它操作速度也提高了約 50 倍。
硬件操作系統(tǒng)的資源使用(表 1)相差較大，這主要取決于激活的服務(wù)的數(shù)量及功能，比如我們?yōu)槊宽椃?wù)選擇對象(信號量、線程等)的數(shù)量。我們使用賽靈思 Virtex-5 FX100T 來實現(xiàn)系統(tǒng)。表中列出了硬件操作系統(tǒng)使用的資源。余下的資源可用于實現(xiàn)其它系統(tǒng)組件及硬件線程自身。
表1 硬件操作系統(tǒng) (Virtex-5 FX100) 的資源使用情況
對于網(wǎng)絡(luò)性能，在 DRAFT 連接 8 個32 位字寬、緩沖深度為 4 個字，頻率為100MHz 的組件的配置下，片上網(wǎng)絡(luò)可使每個連接的組件的最大數(shù)據(jù)速率高達 1,040Mbps。網(wǎng)絡(luò)的拓撲和路由協(xié)議保證不會出現(xiàn)爭用和擁堵現(xiàn)象。在兩個互連的組件間，至少一直保留著一條通信路徑。數(shù)據(jù)通過 DRAFT 的平均時延接近 45 個時鐘周期(450 納秒)，這符合許多應(yīng)用的要求。
5 結(jié)語
我們提議采用一種創(chuàng)新型的操作系統(tǒng)，可以在由多個處理器和動態(tài)可重配置硬件 IP 模塊構(gòu)成的異構(gòu)多核架構(gòu)上提供基于多線程的同構(gòu)執(zhí)行模型。硬件操作系統(tǒng)負責管理硬件線程，一般用于線程創(chuàng)建和抑制，以及信息量和消息隊列服務(wù)。在通信方面，我們建議改進用于數(shù)據(jù)交換的胖樹拓撲片上網(wǎng)絡(luò)、用于硬件線程管理的專用總線以及為實現(xiàn)操作系統(tǒng)間同步的通信層。
下載文檔
