浅析可管理FPGA动态可重配置的新型 *** 作系统_技术

在过去，静态决策最坏情况分配曾为严格的实时约束提供了解决方案，而现在灵活性也成为一项要求。法国某研究项目建议使用的解决方案是一种分布在 FPGA 资源上，对软硬件线程进行管理的 *** 作系统。

我们的目标是设计一种支持新的系统分区类型的架构，让软/硬件组件遵循同一执行模型。这就要求高度灵活的可扩展 *** 作系统。近年来，特别是在嵌入式系统中，随着片上系统 (SoC) 密度的增大，可以通过并行处理任务和数据，来增加运算单元，最终满足设计约束的要求。目前，随着异构计算内核的加入，这种趋势仍在继续。不过这种技术遇到了难以逾越的复杂性障碍，因为它需要对编程模型进行更高层次的抽象。

为了攻克这些难题，我们建议定义一个统一的执行模型，不管线程是映射到硬件还是软件上都可以使用。该执行模型的硬件实现高度依赖动态可重配置逻辑的使用。全分布式架构结合传统多核软件子系统，可同时兼备软/硬件的优点。软件部分很适用于智能化事件控制和决策，而硬件部分则擅长于提高能效、吞吐量以及数字运算。通过两者的结合，无论是针对每种特定的应用，还是针对某一应用的某一特定状态，我们都能在性能与资源利用率之间实现最佳平衡。

新型 FPGA 平台具有高度的灵活性和可扩展性，且集成度高，能够在单个或两个芯片上集成一个完整的异构动态运算系统。

自适应硬件在诸如导d电子和软件无线电等功耗和系统尺寸有限，同时对环境高度敏感的应用中非常有用。采用动态重配置技术，可以在不增加系统功耗或电路板尺寸的情况下，实现支持不同应用模式的专用架构。传统解决方案侧重于控制部分，现在看来似乎已经不能有效地满足执行单元的数量及其异构性要求。只有采用兼具灵活性和可扩展性的分布式方案，才能够创建出面向未来的架构。

虽然这种技术潜力无限，但对整个业界来说，动态重配置的使用仍然有相当大的难度。工程师需要一种清晰明确的设计方式，既能够充分地发挥动态重配置的优势，又不影响应用描述，而且最重要的是，不增加开发成本。为了将动态性和高性能结合起来，我们建议采用基于多线程的执行模型对异构性进行抽象。开发人员可以将应用当作线程集来进行编程，而不必考虑线程是在标准处理器还是专用硬件上执行。在这种情况下，动态重配置的作用是进行线程优先调度(thread preempTIon)和上下文切换。由法国国家研究署 (French NaTIonal Research Agency (ANR)) 赞助的 FOSFOR（灵活的可重配置平台 *** 作系统）项目就专门负责开发这种新一代嵌入式、分布式实时 *** 作系统。

FOSFOR 架构基础
我们的目标是设计一种支持新的系统分区类型的架构，让软/硬件组件遵循同一执行模型。这就要求高度灵活的可扩展 *** 作系统，能够为软件域和硬件域提供相似的接口。与传统方法不同，这种 *** 作系统是完全分布式的，整个平台从应用的角度来看是同构的。这就意味着既能以静态方式，也能以动态方式在软件（处理器）或者硬件（可重配置单元）中部署应用线程，对分布式服务进行无差别的访问。

为了实现高效率，我们在紧邻可重配置区的硬件中实现 *** 作系统服务。我们在异构 *** 作系统内核之间实现了一个通信层，以确保从应用角度看服务是同构的。因此，将 *** 作系统当作大量模块和执行单元部署在架构上，可以充分发挥虚拟化机制的优势，从而使应用线程在未预知任务的情况下运行和通信。

从编程人员的角度来看，该应用只是个线程集。我们可以利用赛灵思 FPGA 的动态重配置功能来提议这种硬件线程的新概念，同时也可采用与软件线程相同的方式来实现这一概念。我们的实现方式充分发挥了专用计算 IP 模块的性能优势。

除了要考虑到多处理器 SoC 中的执行单元，存储器结构还必须满足以下几项要求：应用线程需要的数据存储、每个线程执行上下文的存储以及线程间的数据交换。对于执行上下文的存储，我们认为有多种可能性。一种方式是集中存储执行上下文，这样为将其分配到不同执行单元提供介质。我们可以确认平台内的三种通信流：应用数据、控制信号和重配置/执行上下文。对于硬件线程之间的高带宽数据路径，我们使用专用的片上网络 (NoC)。