可擴展動(dòng)態(tài)重配置的新型FPGA平臺設計

　　構建硬件操作系統的主要原因出于性能和靈活性方面的考慮。該操作系統本可以采用純軟件或純硬件。由于每次調用操作系統原語(yǔ)都會(huì )涉及開(kāi)銷(xiāo)，即線(xiàn)程等待時(shí)間，操作系統速度越快，浪費的時(shí)間就越少。為了評估開(kāi)銷(xiāo)，我們必須就硬件操作系統的時(shí)序和原始的軟件操作系統 RTEMS 做一比較。

　　硬件本地運行只需要數十個(gè)周期，而為了訪(fǎng)問(wèn)共享存儲器，硬件全局運行需要數百個(gè)周期。經(jīng)我們評估，與軟件操作系統的運行結果相比，本地創(chuàng )建-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)的數量及功能，比如我們?yōu)槊宽椃?wù)選擇對象(信號量、線(xiàn)程等)的數量。我們使用賽靈思 Virtex-5 FX100T 來(lái)實(shí)現系統。表中列出了硬件操作系統使用的資源。余下的資源可用于實(shí)現其它系統組件及硬件線(xiàn)程自身。

　　表1 硬件操作系統 (Virtex-5 FX100) 的資源使用情況

　　對于網(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)連接的組件的最大數據速率高達 1,040Mbps。網(wǎng)絡(luò )的拓撲和路由協(xié)議保證不會(huì )出現爭用和擁堵現象。在兩個(gè)互連的組件間，至少一直保留著(zhù)一條通信路徑。數據通過(guò) DRAFT 的平均時(shí)延接近 45 個(gè)時(shí)鐘周期(450 納秒)，這符合許多應用的要求。

　　5 結語(yǔ)

　　我們提議采用一種創(chuàng )新型的操作系統，可以在由多個(gè)處理器和動(dòng)態(tài)可重配置硬件 IP 模塊構成的異構多核架構上提供基于多線(xiàn)程的同構執行模型。硬件操作系統負責管理硬件線(xiàn)程，一般用于線(xiàn)程創(chuàng )建和抑制，以及信息量和消息隊列服務(wù)。在通信方面，我們建議改進(jìn)用于數據交換的胖樹(shù)拓撲片上網(wǎng)絡(luò )、用于硬件線(xiàn)程管理的專(zhuān)用總線(xiàn)以及為實(shí)現操作系統間同步的通信層。