利用Java良好的移植特性的FPGA可編程嵌入式系統(tǒng)
傳統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品只能實現(xiàn)某種特定的功能，不能滿足用戶可變的豐富多彩的應用需求。為解決這個問題，本文設計并實現(xiàn)了一種使用Java作為軟件平臺的基于FPGA的可編程嵌入式系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)對多種本地應用和網(wǎng)絡的支持。
1. 概述
傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計的主要目標是找到一種優(yōu)化的體系結(jié)構來完成單一的，特定的功能。對這樣的系統(tǒng)來說，ASIC和核心處理器是作為特別的構件模塊加以考慮的：設計者根據(jù)應用的要求選擇適當?shù)腁SIC，根據(jù)給定的性能要求比如處理器主頻，系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及對功耗的要求等選用適當?shù)奶幚砥鲀?nèi)核。
然而，在當今移動通信已經(jīng)進入每個人的生活的今天，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)比如PDA等已經(jīng)不同于傳統(tǒng)意義上的嵌入式系統(tǒng)了，它們有自己的獨特特點?？陀^需要要求它們能夠支持多種應用功能如網(wǎng)頁瀏覽，播放音頻/視頻文件，以及進行無線網(wǎng)絡通信等。
這樣看來，傳統(tǒng)的設計思路因為只面向單一的應用，無法滿足多應用嵌入式系統(tǒng)的需求。而解決這一問題的良好途徑便是向嵌入式系統(tǒng)引入可編程能力，以使得系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的不同要求實現(xiàn)對不同應用的支持。
為了向系統(tǒng)中引入可編程能力，我們考慮在系統(tǒng)中嵌入FPGA，因為FPGA具有下列特點，使得它成為我們的首選：
1.現(xiàn)在的FPGA的處理能力和邏輯容量已經(jīng)接近于專用ASIC，功耗也比較低，能夠滿足我們系統(tǒng)設計的要求;
2.由于FPGA具有的可重編程能力，使用了FPGA的嵌入式系統(tǒng)能夠滿足各種不同的應用要求;
從嵌入式系統(tǒng)管理的角度來說，對網(wǎng)絡通信的支持也是很有必要的，也是很有特色的一個應用，因為它使得從遠端服務器下載新的應用程序并在本地運行成為可能。為實現(xiàn)對這個功能的支持，我們采用Java作為軟件平臺。因為Java運行在Java虛擬機之上，它能夠下載并執(zhí)行新的應用程序代碼，并且無需在下載后重新啟動系統(tǒng)。
綜上所述，這個新的嵌入式系統(tǒng)是基于Java的，有一個FPGA和標準處理器相連。我們通過網(wǎng)絡下載Java代碼和可以對FPGA進行編程的比特流。該系統(tǒng)也支持對FPGA的動態(tài)重新配置。為了實現(xiàn)硬件(FPGA)和軟件(Java應用程序代碼)之間的通信，又定義了一組本地API，以使得從Java應用層能夠訪問到底層的硬件。為了調(diào)用這些本地API，采用了Java本地接口(JNI)。在本文中，將一些Java函數(shù)(Java method)用FPGA可編程硬件來實現(xiàn)，稱之為硬件方法(HW method)。
2. 系統(tǒng)設計
實現(xiàn)一個Java函數(shù)功能的對應的硬件方法實現(xiàn)的邏輯結(jié)構圖如圖1所示。
輸入緩存和輸出緩存分別用來接收輸入?yún)?shù)和存儲輸出結(jié)果?？刂凭彺嬗糜趯τ布椒ǖ目刂坪蜋z測，比如向硬件方法發(fā)出啟動指令，檢查其所處的狀態(tài)并判斷操作是否完成等。該模塊中的所有緩存都映射到處理器物理地址空間中，處理器可以使用正常的讀寫指令完成對這些緩存的訪問。
圖2是該嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，由一個標準處理器，一個FPGA和一個系統(tǒng)存儲單元構成。它們之間通過共享的系統(tǒng)總線連接在一起。
當處理器向一個硬件方法發(fā)出讀寫操作指令時，該硬件方法在其自己的地址解碼器的幫助下向數(shù)據(jù)總線上發(fā)送對應的響應信號。在這里，我們可以認為是處理器發(fā)起的硬件/軟件通信指令，而FPGA則是作為一個從屬單元做出回應。因為在處理器發(fā)起初始指令后，就由可配置管理器來負責管理FPGA編程。這樣一來，就實現(xiàn)了處理器和FPGA的并行運行。
如圖3所示，我們選擇Java作為軟件平臺，并且裝載了一個嵌入式操作系統(tǒng)為Java實時應用程序提供基本的服務，比如線程和其它硬件管理等。
通過系統(tǒng)管理器，可以從遠程服務器下載Java應用程序。系統(tǒng)管理器主要實現(xiàn)了下面3種協(xié)議：[!--empirenews.page--]
1. 應用程序代碼(包括可對FPGA進行編程的比特流)下載協(xié)議;
2. 用于遠程管理的系統(tǒng)維護相關的協(xié)議;
3. 控制對嵌入式系統(tǒng)訪問權限的認證協(xié)議。
系統(tǒng)管理器包括基于socket連接的客戶端類加載器。遠端應用程序可以下載到本地并按照下面的過程執(zhí)行：
1. 完成認證過程，系統(tǒng)進入管理模式;
2. 下載應用程序代碼，完成系統(tǒng)初始化，比如加載FPGA可編程比特流到相應的存儲單元;
3. 執(zhí)行新的應用程序。
在該系統(tǒng)中，為了簡化起見，預先映射硬件方法地址到確定的系統(tǒng)物理存儲區(qū)，目的是為了尋址操作的方便快捷。
由于我們使用了Java軟件平臺，應用程序就無法直接訪問底層的硬件。這就是說，運行在處理器Java虛擬機上的應用程序不能直接訪問映射到FPGA中硬件方法的緩存區(qū)域。為解決這個問題，理論上可以采用下面兩種方法：
1. 修改Java虛擬機，使其具有對處理器物理地址的直接訪問能力;
2. 單獨設計一種Java本地接口(JNI)，使得應用程序通過該接口提供的功能實現(xiàn)對硬件方法映射到的物理地址的訪問。
盡管第一種方案的效率較高，并且沒有引入額外開銷，但是修改Java虛擬機內(nèi)核是相當繁雜的工作，同時也可能會引起潛在的系統(tǒng)不穩(wěn)定。第二種方案雖然引入了一定的額外開銷，但便于移植和實現(xiàn)。因此，我們采用方案二，在Java虛擬機和Java本地接口之外又設計了一個本地通信庫。
本地通信庫API形式如下：
int hwWriteXXX(int addr, XXX p);
int hwWriteArrayXXX(int addr, XXX[] p);
XXX hwReadXXX(int addr);
XXX[] hwReadArrayXXX(int addr);
int hwConfig(int cf_mem_addr, int bitstr_size);
Java本地接口層接口的形式如下：
class HWInterface{
static int ConfigStatus;
public static native int setParam(CID hw_cid, object P)
{
if(type_of_P == XXX)
err = hwWriteXXX(hw_cid.addr, (XXX)P);
return err;
}
public static native int getResult(CID hw_cid, object R);
public static native int setCMD(CID hw_cid, int cmd);
public static native int getStatus(CID hw_cid);
public synchronized static native int configHW( CID hw_cid);
}
在上面代碼中，XXX表示基本的Java數(shù)據(jù)類型如整型(integer)、浮點型(float)、雙精度型(double)等。[!--empirenews.page--]
Java應用程序通過類HWInterface提供的方法訪問本地庫。上面的代碼中給出了setParam的具體實現(xiàn)。其中，CID是包括硬件方法映射到的緩存地址的一個對象，對應于每個硬件方法的CID都是唯一的，因此，該地址和緩存區(qū)大小都是事先已經(jīng)確定了的。但是，由于系統(tǒng)中只有一個配置控制器，我們無法同時就兩個或多個硬件方法向FPGA進行編程，也可以說同一時刻只能有一個硬件方法在使用配置控制器。為此，引入了一個靜態(tài)變量ConfigStatus來反映配置控制器的當前狀態(tài)。所以，訪問配置控制器的函數(shù)configHW()是靜態(tài)的同步的。
使用上面給出的接口，則下面這段代碼
methodA()
{
…;
int a = objA.m1(2); //SW method
int b = objB.m2(3); //HW method
int c = a + b;
…;
}
就應該寫成下面的形式：
methodA()
{
…;
1 HWInterface.configHW(cid2); // cid2 is the ID of HW method m2
2 Object P = new Integer(3);
3 HWInterface.SetParam(cid2,P);
4 HWInterface.startHW(cid2);
5 int a = objA.m1(2);
6 Object R = new Integer();
7 While(HWInterface.getResult(cid2, R) == 0)
; //wait until HW method finished
8 HWInterface.getResult(cid2, R);
9 int b = ((Integer)R.getValue());
10 int c = a + b;
…;
}
在上例中，為了執(zhí)行FPGA中的函數(shù)objB.m2()，首先對FPGA進行編程(Line1)。然后，將參數(shù)拷貝到硬件方法的輸 入緩存中(Line3)，并對硬件方法進行初始化(Line4)。最后，采用了一個循環(huán)函數(shù)持續(xù)檢查硬件方法緩存的狀態(tài)(Line7,8)，直至計算完成，然后拷貝得到結(jié)果(Line9)。
3. 系統(tǒng)實現(xiàn)
使用ARM710T處理器和Virtex的FPGA，根據(jù)上文給出的設計方案，我們實現(xiàn)了一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺。該平臺包括一個網(wǎng)絡接口，兩個調(diào)試接口，一個PCI主機接口和一個串行口。并移植了一個嵌入式操作系統(tǒng)和一個小巧的Java實時運行環(huán)境。如圖4：
4. 總結(jié)
本文用一種全新的思路，對傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)進行了改進，實現(xiàn)了一種能夠支持多種應用的嵌入式系統(tǒng)平臺。利用FPGA的可編程性和Java平臺良好的移植性能，該平臺完全能夠滿足我們的設計要求。當然，也有不足之處，比如對配置控制器的狀態(tài)的獲取，可以考慮使用中斷的方式來實現(xiàn)，而不是采用本文中的循環(huán)查詢機制。這將在以后的工作中加以改進。
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