可擴(kuò)展動(dòng)態(tài)重配置的新型FPGA平臺(tái)設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 可擴(kuò)展動(dòng)態(tài)重配置的新型FPGA平臺(tái)設(shè)計(jì) 一臺(tái)在未知的土地上行進(jìn)的自動(dòng)機(jī)器人；一部能夠根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度改變解壓縮格式的視頻解碼器；一套寬帶電子對(duì)抗系統(tǒng)；一種用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛的自適應(yīng)圖像跟蹤算法這些都屬于大量涌現(xiàn)的隨環(huán)境瞬變做出快速響應(yīng)的新興嵌入式或者關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用。在過(guò)去，靜態(tài)決策壞情況分配曾為嚴(yán)格的實(shí)時(shí)約束提供了解決方案，而現(xiàn)在靈活性也成為一項(xiàng)要求。法國(guó)某研究項(xiàng)目建議使用的解決方案是一種分布在 FPGA 資源上，對(duì)軟硬件線(xiàn)程開(kāi)展管理的操作系統(tǒng)。 我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種支持新的系統(tǒng)分區(qū)類(lèi)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(kuò)展操作系統(tǒng)。近年來(lái)，特別是

2、在嵌入式系統(tǒng)中，隨著片上系統(tǒng) （SoC） 密度的增大，可以通過(guò)并行處理任務(wù)和數(shù)據(jù)，來(lái)增加運(yùn)算單元，終滿(mǎn)足設(shè)計(jì)約束的要求。目前，隨著異構(gòu)計(jì)算內(nèi)核的參加，這種趨勢(shì)仍在繼續(xù)。不過(guò)這種技術(shù)遇到了難以逾越的復(fù)雜性障礙，因?yàn)樗枰獙?duì)編程模型開(kāi)展更高層次的抽象。 為了攻克這些難題，我們建議定義一個(gè)統(tǒng)一的執(zhí)行模型，不管線(xiàn)程是映射到硬件還是軟件上都可以使用。該執(zhí)行模型的硬件實(shí)現(xiàn)高度依賴(lài)動(dòng)態(tài)可重配置邏輯的使用。全分布式架構(gòu)結(jié)合傳統(tǒng)多核軟件子系統(tǒng)，可同時(shí)兼?zhèn)滠?硬件的優(yōu)點(diǎn)。軟件部分很適用于智能化事件控制和決策，而硬件部分則擅長(zhǎng)于提高能效、吞吐量以及數(shù)字運(yùn)算。通過(guò)兩者的結(jié)合，無(wú)論是針對(duì)每種特定的應(yīng)用，還是針對(duì)某一應(yīng)用

3、的某一特定狀態(tài)，我們都能在性能與資源利用率之間實(shí)現(xiàn)平衡。 新型 FPGA 平臺(tái)具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性，且集成度高，能夠在單個(gè)或兩個(gè)芯片上集成一個(gè)完整的異構(gòu)動(dòng)態(tài)運(yùn)算系統(tǒng)。 自適應(yīng)硬件在諸如導(dǎo)彈電子和軟件無(wú)線(xiàn)電等功耗和系統(tǒng)尺寸有限，同時(shí)對(duì)環(huán)境高度敏感的應(yīng)用中非常有用。采用動(dòng)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(shí)現(xiàn)支持不同應(yīng)用模式的專(zhuān)用架構(gòu)。傳統(tǒng)解決方案?jìng)?cè)重于控制部分，現(xiàn)在看來(lái)似乎已經(jīng)不能有效地滿(mǎn)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(kuò)展性的分布式方案，才能夠創(chuàng)立出面向未來(lái)的架構(gòu)。 雖然這種技術(shù)潛力無(wú)限，但對(duì)整個(gè)業(yè)界來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)重配置的使用仍然有相當(dāng)大的難度。工

4、程師需要一種清晰明確的設(shè)計(jì)方式，既能夠充分地發(fā)揮動(dòng)態(tài)重配置的優(yōu)勢(shì)，又不影響應(yīng)用描述，而且重要的是，不增加開(kāi)發(fā)成本。為了將動(dòng)態(tài)性和高性能結(jié)合起來(lái)，我們建議采用基于多線(xiàn)程的執(zhí)行模型對(duì)異構(gòu)性開(kāi)展抽象。開(kāi)發(fā)人員可以將應(yīng)用當(dāng)作線(xiàn)程集來(lái)開(kāi)展編程，而不必考慮線(xiàn)程是在標(biāo)準(zhǔn)處理器還是專(zhuān)用硬件上執(zhí)行。在這種情況下，動(dòng)態(tài)重配置的作用是開(kāi)展線(xiàn)程優(yōu)先調(diào)度（thread preemption）和上下文切換。由法國(guó)國(guó)家研究署 （French National Research Agency （ANR） 贊助的 FOSFOR（靈活的可重配置平臺(tái)操作系統(tǒng)）項(xiàng)目就專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)這種新一代嵌入式、分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 1 FOSFO

5、R 架構(gòu)根底 我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種支持新的系統(tǒng)分區(qū)類(lèi)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(kuò)展操作系統(tǒng)，能夠?yàn)檐浖蚝陀布蛱峁┫嗨频慕涌?。與傳統(tǒng)方法不同，這種操作系統(tǒng)是完全分布式的，整個(gè)平臺(tái)從應(yīng)用的角度來(lái)看是同構(gòu)的。這就意味著既能以靜態(tài)方式，也能以動(dòng)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(xiàn)程，對(duì)分布式服務(wù)開(kāi)展無(wú)差異的訪問(wèn)。 為了實(shí)現(xiàn)高效率，我們?cè)诰o鄰可重配置區(qū)的硬件中實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)服務(wù)。我們?cè)诋悩?gòu)操作系統(tǒng)內(nèi)核之間實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(dāng)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(jī)制的優(yōu)勢(shì)，從而使應(yīng)用

6、線(xiàn)程在未預(yù)知任務(wù)的情況下運(yùn)行和通信。 從編程人員的角度來(lái)看，該應(yīng)用只是個(gè)線(xiàn)程集。我們可以利用賽靈思 FPGA 的動(dòng)態(tài)重配置功能來(lái)提議這種硬件線(xiàn)程的新概念，同時(shí)也可采用與軟件線(xiàn)程相同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一概念。我們的實(shí)現(xiàn)方式充分發(fā)揮了專(zhuān)用計(jì)算 IP 模塊的性能優(yōu)勢(shì)。 除了要考慮到多處理器 SoC 中的執(zhí)行單元，存儲(chǔ)器構(gòu)造還必須滿(mǎn)足以下幾項(xiàng)要求：應(yīng)用線(xiàn)程需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、每個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行上下文的存儲(chǔ)以及線(xiàn)程間的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于執(zhí)行上下文的存儲(chǔ)，我們認(rèn)為有多種可能性。一種方式是集中存儲(chǔ)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(rèn)平臺(tái)內(nèi)的三種通信流：應(yīng)用數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和重配置/執(zhí)行上下文。對(duì)于硬件

7、線(xiàn)程之間的高帶寬數(shù)據(jù)路徑，我們使用專(zhuān)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(xiàn)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(diǎn) （GPP） 硬件節(jié)點(diǎn)（可重配置區(qū)域） 片上網(wǎng)絡(luò) 共享存儲(chǔ)器 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(zhuān)用（通用）處理器 （GPP）。GPP 負(fù)責(zé)支持軟件線(xiàn)程的執(zhí)行，以及包括線(xiàn)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(dòng)態(tài)可重配置分區(qū)（也稱(chēng)可

8、重配置區(qū)域 （RR）。動(dòng)態(tài)可重配置分區(qū)負(fù)責(zé)并行或串行執(zhí)行一系列硬件線(xiàn)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?？刂仆ǖ镭?fù)責(zé)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(fù)責(zé)傳輸與環(huán)境（器件、傳感器）有關(guān)的信息和線(xiàn)程之間的信息交換。配置通道負(fù)責(zé)在配置存儲(chǔ)器和執(zhí)行單元之間傳輸軟件線(xiàn)程（二進(jìn)制代碼）和硬件線(xiàn)程（部分比特流）的配置。 每個(gè)處理器都有自己的本地存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)本地?cái)?shù)據(jù)，在適用的

9、情況下，也可存儲(chǔ)軟件代碼。連接到數(shù)據(jù)通道的共享存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)不同處理器上線(xiàn)程間的數(shù)據(jù)共享。每個(gè)執(zhí)行單元都可以訪問(wèn)共享存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和軟件執(zhí)行資源程序。每個(gè)資源還可以訪問(wèn)配置存儲(chǔ)器，以保存和恢復(fù)其執(zhí)行上下文。采用這種構(gòu)造，可以在任何執(zhí)行資源上實(shí)現(xiàn)任何線(xiàn)程或服務(wù)。 在 RR 內(nèi)部，只有硬件任務(wù)需要?jiǎng)討B(tài)重配置。負(fù)責(zé)托管任務(wù)的動(dòng)態(tài)區(qū)域 （DR） 被包含操作系統(tǒng)服務(wù)硬件實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)區(qū)域 （SR） 所包圍，同時(shí)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(zhuān)用的片上網(wǎng)絡(luò)。DR 和 SR 之間的接口采用總線(xiàn)宏并且有固定的位置。為實(shí)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(lái)提供到可重配置分區(qū)的

10、虛擬訪問(wèn)。RR 根據(jù)圖 2 中定義的模型構(gòu)建。FOSFOR 原型平臺(tái)由能夠直接支持這種架構(gòu)模型的動(dòng)態(tài)可重配置 FPGA 器件構(gòu)成。我們選用了 Virtex-5? 器件，因?yàn)槠淠軌蛑嘏渲镁匦螀^(qū)域。 我們根據(jù)預(yù)先測(cè)算的應(yīng)用線(xiàn)程資源需求定義了調(diào)度布局算法，以確保每個(gè) RR 中 FPGA 元件（LUT、存放器、分布式存儲(chǔ)器、I/O）的高效利用。 圖2 可重配置區(qū)域構(gòu)造 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(dòng)態(tài)區(qū)域 線(xiàn)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(gè)操作系統(tǒng)實(shí)例：一個(gè)為

11、運(yùn)行在每個(gè)處理器上且負(fù)責(zé)處理軟件線(xiàn)程的軟件操作系統(tǒng)；另一個(gè)為能夠管理硬件線(xiàn)程的硬件操作系統(tǒng)。為了在性能、開(kāi)發(fā)時(shí)間以及標(biāo)準(zhǔn)化之間實(shí)現(xiàn)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(dòng)態(tài)部分重配置功能，在調(diào)度硬件線(xiàn)程方面與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)度軟件線(xiàn)程一樣靈活。 對(duì)軟件操作系統(tǒng)的要求是實(shí)時(shí)行為、能夠處理多個(gè)處理器并提供基本的進(jìn)程間通信服務(wù)。我們選用了一個(gè)的開(kāi)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(diǎn)一樣，其也是和開(kāi)源的。 該硬件操作系統(tǒng)（HwOS）利用賽靈思 FPGA 的動(dòng)態(tài)部分重配置功能，在調(diào)度硬件線(xiàn)

12、程方面與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)度軟件線(xiàn)程一樣靈活。硬件線(xiàn)程由動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大部分組成。動(dòng)態(tài)部分內(nèi)含一個(gè)用來(lái)執(zhí)行線(xiàn)程功能的 IP 模塊和一個(gè)用來(lái)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(jī)。靜態(tài)部分則內(nèi)含一個(gè)與硬件操作系統(tǒng)相連的控制接口和一個(gè)用于與其它軟硬件任務(wù)開(kāi)展交換數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接口。 為支持多種線(xiàn)程間數(shù)據(jù)傳輸需要，我們開(kāi)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(xiàn)程間的通信。但在我們的設(shè)計(jì)中，操作系統(tǒng)還需要支持硬件線(xiàn)程間的通信。為此，我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了 DRAFT 網(wǎng)絡(luò)。我們針對(duì)一個(gè)或者多個(gè) DR 逐一綜合硬件線(xiàn)程，同時(shí)靜態(tài)地定義每個(gè) DR 接口。 通信接口的靜態(tài)定義讓我們可以

13、定義靜態(tài)的片上網(wǎng)絡(luò)。一般來(lái)說(shuō)，硬件線(xiàn)程要求高帶寬和低時(shí)延，故片上網(wǎng)絡(luò)必須提供高性能。我們?yōu)?DRAFT 選擇的拓?fù)涫且环N胖樹(shù)拓?fù)涞臄U(kuò)展。我們?cè)O(shè)計(jì)的主要目的是為了限制資源開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能的線(xiàn)程間通信。 硬件平臺(tái)的異構(gòu)性是設(shè)計(jì)人員部署應(yīng)用時(shí)面臨的主要的復(fù)雜性障礙。在 FOSFOR 項(xiàng)目中，這種異構(gòu)性不僅來(lái)自軟件域中的不同嵌入式處理器，還來(lái)自在單個(gè)平臺(tái)上同時(shí)集成軟件和硬件計(jì)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(wèn)題。中間件實(shí)現(xiàn)了一組虛擬通道，可以在不必理會(huì)線(xiàn)程的實(shí)現(xiàn)區(qū)域的情況下開(kāi)展線(xiàn)程間通信。這些服務(wù)跨平臺(tái)分布，提供了一個(gè)靈活的可擴(kuò)展抽象層，讓

14、 FOSFOR 設(shè)想臻于完善。 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(yǔ)都會(huì)涉及開(kāi)銷(xiāo)，即線(xiàn)程等待時(shí)間，操作系統(tǒng)速度越快，浪費(fèi)的時(shí)間就越少。為了評(píng)估開(kāi)銷(xiāo)，我們必須就硬件操作系統(tǒng)的時(shí)序和原始的軟件操作系統(tǒng) RTEMS 做一比較。 硬件本地運(yùn)行只需要數(shù)十個(gè)周期，而為了訪問(wèn)共享存儲(chǔ)器，硬件全局運(yùn)行需要數(shù)百個(gè)周期。經(jīng)我們?cè)u(píng)估，與軟件操作系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果相比，本地創(chuàng)立-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，比方我們?yōu)槊宽?xiàng)服務(wù)選擇對(duì)象（信號(hào)量、線(xiàn)程等）的數(shù)量。我們使用賽靈思 Virtex-5 FX100T 來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)其它系統(tǒng)組件及硬件線(xiàn)程自身。 表1 硬件操作系統(tǒng) （Virtex-5 FX100） 的資源使用情況 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能，在 DRAFT 連接 8 個(gè)32 位字寬、緩沖深度為 4 個(gè)字，頻率為100MHz 的組件的配置下，片上網(wǎng)絡(luò)可使每個(gè)連接的組件的數(shù)據(jù)速率高達(dá) 1,040Mbps。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜吐酚蓞f(xié)議保證不會(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)用和擁堵現(xiàn)象。在兩個(gè)互連的組