可擴展動(dòng)態(tài)重配置的新型FPGA平臺設計

　　全局架構如圖1 所示，其組成包括：

　　一系列非專(zhuān)用(通用)處理器 (GPP)。GPP 負責支持軟件線(xiàn)程的執行，以及包括線(xiàn)程調度在內的一系列操作系統服務(wù)。GPP 在指令集架構和提供的服務(wù)數量方面不必同構。

　　一系列動(dòng)態(tài)可重配置分區(也稱(chēng)可重配置區域 (RR))。動(dòng)態(tài)可重配置分區負責并行或串行執行一系列硬件線(xiàn)程。與 GPP 相似，由于采用硬件操作系統 (HwOS)，RR 也支持操作系統服務(wù)的執行。這些區域對應著(zhù)精粒度 (FPGA) 或粗粒度(可重配置處理器)架構。

　　共享著(zhù)一條或多條物理通信通道的虛擬通信通道，用于控制、數據和配置?？刂仆ǖ镭撠煱巡僮飨到y服務(wù)之間的通信分配給執行單元(GPP 和 RR)。數據通道負責傳輸與環(huán)境(器件、傳感器)有關(guān)的信息和線(xiàn)程之間的信息交換。配置通道負責在配置存儲器和執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器。該存儲器負責存儲本地數據，在適用的情況下，也可存儲軟件代碼。連接到數據通道的共享存儲器可以實(shí)現不同處理器上線(xiàn)程間的數據共享。每個(gè)執行單元都可以訪(fǎng)問(wèn)共享存儲器上存儲的數據和軟件執行資源程序。每個(gè)資源還可以訪(fǎng)問(wèn)配置存儲器，以保存和恢復其執行上下文。采用這種結構，可以在任何執行資源上實(shí)現任何線(xiàn)程或服務(wù)。

　　在 RR 內部，只有硬件任務(wù)需要動(dòng)態(tài)重配置。負責托管任務(wù)的動(dòng)態(tài)區域 (DR) 被包含操作系統服務(wù)硬件實(shí)現的靜態(tài)區域 (SR) 所包圍，同時(shí)在 RR 內外部提供通信介質(zhì)。內部數據流通信依靠專(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)現該約束以及通信介質(zhì)異構性的抽象，我們采用中間件方案來(lái)提供到可重配置分區的虛擬訪(fǎng)問(wèn)。RR 根據圖 2 中定義的模型構建。FOSFOR 原型平臺由能夠直接支持這種架構模型的動(dòng)態(tài)可重配置 FPGA 器件構成。我們選用了 Virtex-5? 器件，因為其能夠重配置矩形區域。

　　我們根據預先測算的應用線(xiàn)程資源需求定義了調度/布局算法，以確保每個(gè) RR 中 FPGA 元件(LUT、寄存器、分布式存儲器、I/O)的高效利用。

　　圖2 可重配置區域結構

　　圖中文字：

　　控制 上下文(比特流) 靜態(tài)區域 可重配置區域 靜態(tài)區域 數據 硬件操作系統 控制 動(dòng)態(tài)區域 線(xiàn)程 數據 片上網(wǎng)絡(luò ) 硬件分區

　　3 操作系統、片上網(wǎng)絡(luò )及中間件

　　為具備靈活性，FOSFOR 架構使用了至少兩個(gè)操作系統實(shí)例：一個(gè)為運行在每個(gè)處理器上且負責處理軟件線(xiàn)程的軟件操作系統;另一個(gè)為能夠管理硬件線(xiàn)程的硬件操作系統。為了在性能、開(kāi)發(fā)時(shí)間以及標準化之間實(shí)現最佳平衡，我們使用了現有的軟件操作系統和全新的硬件操作系統。

　　該硬件操作系統利用賽靈思 FPGA 的動(dòng)態(tài)部分重配置功能，在調度硬件線(xiàn)程方面與傳統操作系統調度軟件線(xiàn)程一樣靈活。

　　對軟件操作系統的要求是實(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)免費的開(kāi)源操作系統 RTEMS。出于兼容性原因，我們選用了 LEON Sparc 軟核處理器，同軟件節點(diǎn)一樣，其也是免費和開(kāi)源的。

　　該硬件操作系統(HwOS)利用賽靈思 FPGA 的動(dòng)態(tài)部分重配置功能，在調度硬件線(xiàn)程方面與傳統操作系統調度軟件線(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)部分內含一個(gè)用來(lái)執行線(xiàn)程功能的 IP 模塊和一個(gè)用來(lái)使服務(wù)調用次序與硬件操作系統同步的有限狀態(tài)機。靜態(tài)部分則內含一個(gè)與硬件操作系統相連的控制接口和一個(gè)用于與其它軟硬件任務(wù)進(jìn)行交換數據的網(wǎng)絡(luò )接口。

　　為支持多種線(xiàn)程間數據傳輸需要，我們開(kāi)發(fā)出了一種靈活的片上網(wǎng)絡(luò ) DRAFT。傳統操作系統的通信服務(wù)足以支持軟件線(xiàn)程間的通信。但在我們的設計中，操作系統還需要支持硬件線(xiàn)程間的通信。為此，我們專(zhuān)門(mén)設計了 DRAFT 網(wǎng)絡(luò )。我們針對一個(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 選擇的拓撲是一種胖樹(shù)拓撲的擴展。我們設計的主要目的是為了限制資源開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)實(shí)現高性能的線(xiàn)程間通信。

　　硬件平臺的異構性是設計人員部署應用時(shí)面臨的主要的復雜性障礙。在 FOSFOR 項目中，這種異構性不僅來(lái)自軟件域中的不同嵌入式處理器，還來(lái)自在單個(gè)平臺上同時(shí)集成軟件和硬件計算模型的做法。

　　采用中間件在硬件和軟件間建立抽象層，并提供同構編程模型，可以很好地解決這一問(wèn)題。中間件實(shí)現了一組虛擬通道，可以在不必理會(huì )線(xiàn)程的實(shí)現區域的情況下進(jìn)行線(xiàn)程間通信。這些服務(wù)跨平臺分布，提供了一個(gè)靈活的可擴展抽象層，讓 FOSFOR 構想臻于完善。