可擴展動(dòng)態(tài)重配置的新型FPGA平臺設計

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(gè)或兩個(gè)芯片上集成一個(gè)完整的異構動(dòng)態(tài)運算系統。

　　自適應硬件在諸如導彈電子和軟件無(wú)線(xiàn)電等功耗和系統尺寸有限，同時(shí)對環(huán)境高度敏感的應用中非常有用。采用動(dòng)態(tài)重配置技術(shù)，可以在不增加系統功耗或電路板尺寸的情況下，實(shí)現支持不同應用模式的專(zhuān)用架構。傳統解決方案側重于控制部分，現在看來(lái)似乎已經(jīng)不能有效地滿(mǎn)足執行單元的數量及其異構性要求。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(lái)的架構。

　　雖然這種技術(shù)潛力無(wú)限，但對整個(gè)業(yè)界來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)重配置的使用仍然有相當大的難度。工程師需要一種清晰明確的設計方式，既能夠充分地發(fā)揮動(dòng)態(tài)重配置的優(yōu)勢，又不影響應用描述，而且最重要的是，不增加開(kāi)發(fā)成本。為了將動(dòng)態(tài)性和高性能結合起來(lái)，我們建議采用基于多線(xiàn)程的執行模型對異構性進(jìn)行抽象。開(kāi)發(fā)人員可以將應用當作線(xiàn)程集來(lái)進(jìn)行編程，而不必考慮線(xiàn)程是在標準處理器還是專(zhuān)用硬件上執行。在這種情況下，動(dòng)態(tài)重配置的作用是進(jìn)行線(xiàn)程優(yōu)先調度(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)項目就專(zhuān)門(mén)負責開(kāi)發(fā)這種新一代嵌入式、分布式實(shí)時(shí)操作系統。

　　1 FOSFOR 架構基礎

　　我們的目標是設計一種支持新的系統分區類(lèi)型的架構，讓軟/硬件組件遵循同一執行模型。這就要求高度靈活的可擴展操作系統，能夠為軟件域和硬件域提供相似的接口。與傳統方法不同，這種操作系統是完全分布式的，整個(gè)平臺從應用的角度來(lái)看是同構的。這就意味著(zhù)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)中部署應用線(xiàn)程，對分布式服務(wù)進(jìn)行無(wú)差別的訪(fǎng)問(wèn)。

　　為了實(shí)現高效率，我們在緊鄰可重配置區的硬件中實(shí)現操作系統服務(wù)。我們在異構操作系統內核之間實(shí)現了一個(gè)通信層，以確保從應用角度看服務(wù)是同構的。因此，將操作系統當作大量模塊和執行單元部署在架構上，可以充分發(fā)揮虛擬化機制的優(yōu)勢，從而使應用線(xiàn)程在未預知任務(wù)的情況下運行和通信。

　　從編程人員的角度來(lái)看，該應用只是個(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)現這一概念。我們的實(shí)現方式充分發(fā)揮了專(zhuān)用計算 IP 模塊的性能優(yōu)勢。

　　除了要考慮到多處理器 SoC 中的執行單元，存儲器結構還必須滿(mǎn)足以下幾項要求：應用線(xiàn)程需要的數據存儲、每個(gè)線(xiàn)程執行上下文的存儲以及線(xiàn)程間的數據交換。對于執行上下文的存儲，我們認為有多種可能性。一種方式是集中存儲執行上下文，這樣為將其分配到不同執行單元提供介質(zhì)。我們可以確認平臺內的三種通信流：應用數據、控制信號和重配置/執行上下文。對于硬件線(xiàn)程之間的高帶寬數據路徑，我們使用專(zhuān)用的片上網(wǎng)絡(luò ) (NoC)。

　　圖1 通用 FOSFOR 架構

　　圖中文字：

　　靈活的操作系統 軟件 線(xiàn)程 應用 中間件(虛擬化、分布、靈活性) 操作系統 1(X 服務(wù)) 操作系統 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 軟件節點(diǎn) (GPP) 硬件節點(diǎn)(可重配置區域) 片上網(wǎng)絡(luò ) 共享存儲器