一種基于Java平臺的可編程嵌入式系統設計

傳統的嵌入式產(chǎn)品只能實(shí)現某種特定的功能，不能滿(mǎn)足用戶(hù)可變的豐富多彩的應用需求。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文設計并實(shí)現了一種使用Java作為軟件平臺的基于FPGA的可編程嵌入式系統，以實(shí)現系統對多種本地應用和網(wǎng)絡(luò )的支持。

1. 概述

傳統的嵌入式系統設計的主要目標是找到一種優(yōu)化的體系結構來(lái)完成單一的，特定的功能。對這樣的系統來(lái)說(shuō)，ASIC和核心處理器是作為特別的構件模塊加以考慮的：設計者根據應用的要求選擇適當的ASIC，根據給定的性能要求比如處理器主頻，系統穩定性，以及對功耗的要求等選用適當的處理器內核。

然而，在當今移動(dòng)通信已經(jīng)進(jìn)入每個(gè)人的生活的今天，現在的嵌入式系統比如PDA等已經(jīng)不同于傳統意義上的嵌入式系統了，它們有自己的獨特特點(diǎn)?？陀^(guān)需要要求它們能夠支持多種應用功能如網(wǎng)頁(yè)瀏覽，播放音頻/視頻文件，以及進(jìn)行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信等。

這樣看來(lái)，傳統的設計思路因為只面向單一的應用，無(wú)法滿(mǎn)足多應用嵌入式系統的需求。而解決這一問(wèn)題的良好途徑便是向嵌入式系統引入可編程能力，以使得系統能夠根據用戶(hù)的不同要求實(shí)現對不同應用的支持。

為了向系統中引入可編程能力，我們考慮在系統中嵌入FPGA，因為FPGA具有下列特點(diǎn)，使得它成為我們的首選：

1.現在的FPGA的處理能力和邏輯容量已經(jīng)接近于專(zhuān)用ASIC，功耗也比較低，能夠滿(mǎn)足我們系統設計的要求；

2.由于FPGA具有的可重編程能力，使用了FPGA的嵌入式系統能夠滿(mǎn)足各種不同的應用要求；

從嵌入式系統管理的角度來(lái)說(shuō)，對網(wǎng)絡(luò )通信的支持也是很有必要的，也是很有特色的一個(gè)應用，因為它使得從遠端服務(wù)器下載新的應用程序并在本地運行成為可能。為實(shí)現對這個(gè)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，它能夠下載并執行新的應用程序代碼，并且無(wú)需在下載后重新啟動(dòng)系統。

綜上所述，這個(gè)新的嵌入式系統是基于Java的，有一個(gè)FPGA和標準處理器相連。我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載Java代碼和可以對FPGA進(jìn)行編程的比特流。該系統也支持對FPGA的動(dòng)態(tài)重新配置。為了實(shí)現硬件（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(fǎng)問(wèn)到底層的硬件。為了調用這些本地API，采用了Java本地接口（JNI）。在本文中，將一些Java函數（Java method）用FPGA可編程硬件來(lái)實(shí)現，稱(chēng)之為硬件方法（HW method）。

2. 系統設計

實(shí)現一個(gè)Java函數功能的對應的硬件方法實(shí)現的邏輯結構圖如圖1所示。

輸入緩存和輸出緩存分別用來(lái)接收輸入參數和存儲輸出結果?？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(dòng)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(xiě)指令完成對這些緩存的訪(fǎng)問(wèn)。

圖2是該嵌入式系統的硬件平臺，由一個(gè)標準處理器，一個(gè)FPGA和一個(gè)系統存儲單元構成。它們之間通過(guò)共享的系統總線(xiàn)連接在一起。

當處理器向一個(gè)硬件方法發(fā)出讀寫(xiě)操作指令時(shí)，該硬件方法在其自己的地址解碼器的幫助下向數據總線(xiàn)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(gè)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(lái)負責管理FPGA編程。這樣一來(lái)，就實(shí)現了處理器和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(gè)嵌入式操作系統為Java實(shí)時(shí)應用程序提供基本的服務(wù)，比如線(xiàn)程和其它硬件管理等。

通過(guò)系統管理器，可以從遠程服務(wù)器下載Java應用程序。系統管理器主要實(shí)現了下面3種協(xié)議：

　　1． 應用程序代碼（包括可對FPGA進(jìn)行編程的比特流）下載協(xié)議；

　　2． 用于遠程管理的系統維護相關(guān)的協(xié)議；

　　3． 控制對嵌入式系統訪(fǎng)問(wèn)權限的認證協(xié)議。

系統管理器包括基于socket連接的客戶(hù)端類(lèi)加載器。遠端應用程序可以下載到本地并按照下面的過(guò)程執行：

　　1. 完成認證過(guò)程，系統進(jìn)入管理模式；

　　2. 下載應用程序代碼，完成系統初始化，比如加載FPGA可編程比特流到相應的存儲單元；

　　3. 執行新的應用程序。

在該系統中，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，預先映射硬件方法地址到確定的系統物理存儲區，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(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)底層的硬件。這就是說(shuō)，運行在處理器Java虛擬機上的應用程序不能直接訪(fǎng)問(wèn)映射到FPGA中硬件方法的緩存區域。為解決這個(gè)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)能力；

　　2. 單獨設計一種Java本地接口（JNI），使得應用程序通過(guò)該接口提供的功能實(shí)現對硬件方法映射到的物理地址的訪(fǎng)問(wèn)。

盡管第一種方案的效率較高，并且沒(méi)有引入額外開(kāi)銷(xiāo)，但是修改Java虛擬機內核是相當繁雜的工作，同時(shí)也可能會(huì )引起潛在的系統不穩定。第二種方案雖然引入了一定的額外開(kāi)銷(xiāo)，但便于移植和實(shí)現。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(gè)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數據類(lèi)型如整型（integer）、浮點(diǎn)型(float)、雙精度型(double)等。

Java應用程序通過(guò)類(lèi)HWInterface提供的方法訪(fǎng)問(wèn)本地庫。上面的代碼中給出了setParam的具體實(shí)現。其中，CID是包括硬件方法映射到的緩存地址的一個(gè)對象，對應于每個(gè)硬件方法的CID都是唯一的，因此，該地址和緩存區大小都是事先已經(jīng)確定了的。但是，由于系統中只有一個(gè)配置控制器，我們無(wú)法同時(shí)就兩個(gè)或多個(gè)硬件方法向FPGA進(jìn)行編程，也可以說(shuō)同一時(shí)刻只能有一個(gè)硬件方法在使用配置控制器。為此，引入了一個(gè)靜態(tài)變量ConfigStatus來(lái)反映配置控制器的當前狀態(tài)。所以，訪(fǎng)問(wèn)配置控制器的函數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(xiě)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，為了執行FPGA中的函數objB.m2()，首先對FPGA進(jìn)行編程(Line1)。然后，將參數拷貝到硬件方法的輸　入緩存中（Line3），并對硬件方法進(jìn)行初始化（Line4）。最后，采用了一個(gè)循環(huán)函數持續檢查硬件方法緩存的狀態(tài)（Line7,8），直至計算完成，然后拷貝得到結果（Line9）。

3. 系統實(shí)現

使用ARM710T處理器和Virtex的FPGA，根據上文給出的設計方案，我們實(shí)現了一個(gè)嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺。該平臺包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口，兩個(gè)調試接口，一個(gè)PCI主機接口和一個(gè)串行口。并移植了一個(gè)嵌入式操作系統和一個(gè)小巧的Java實(shí)時(shí)運行環(huán)境。如圖4：

4. 總結

本文用一種全新的思路，對傳統的嵌入式系統進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現了一種能夠支持多種應用的嵌入式系統平臺。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(mǎn)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(lái)實(shí)現，而不是采用本文中的循環(huán)查詢(xún)機制。這將在以后的工作中加以改進(jìn)。