基于NIOS II多處理機技術(shù)的的網(wǎng)絡(luò )數據處理研究

1 SOPC的嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)概述

　　這些年以來(lái)，計算機網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期，這種快速發(fā)展給人們帶來(lái)了極大便捷，但并且也帶來(lái)了數據信息在處理、存儲、傳輸和應用時(shí)，容易被竊取和篡改等難題?，F在的網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據安全辦理，有多種方法可用于網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全協(xié)議處理，常用的大抵分成ASIC（Application Specific Integrate

　　d Circuit）和可編程方法兩類(lèi)。ASIC方法是系統完全由硬件來(lái)實(shí)現，其特征是速度快，本錢(qián)高，純軟件方式性能低，存在一定的安全隱患，并且幾乎沒(méi)有靈活性和可擴展性，必要很高本錢(qián)和較長(cháng)的設計時(shí)間；可編程方法主要有兩種類(lèi)型：NP（Network Processor）和FPGA（Field Programmable Gate Array），NP提供的是以處理器為中心的可編程本領(lǐng)，而FPGA提供的是以硬件為中心的可編程本領(lǐng)。NP方法應用RISC處理器結構進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據包處理。支持這一方法的器件稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）處理器，并且是軟件可編程的。NP包括多個(gè)優(yōu)化的嵌入式RISC CPU，以提供可編程本領(lǐng)和用于通用數據包處理功能。其設計理念是應用硬件電路處理數據包的分類(lèi)和修改，而應用RISC引擎進(jìn)行上層辦理。NP中的多處理器引擎配置成不一樣的架構以?xún)?yōu)化關(guān)鍵的路徑延遲，在配置每個(gè)RISC引擎時(shí)，使得專(zhuān)用的RISC引擎不可以再以高級語(yǔ)言編程，從而迫應用戶(hù)應用微代碼/匯編語(yǔ)言，并且削弱了提供靈活性和時(shí)間優(yōu)勢這一網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）處理器面臨的根本基礎，應用起來(lái)非常麻煩。對于SOPC（System On Programmable Chip）嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)的FPGA方法，具有高度并行邏輯結構的可編程器件，可提供由用戶(hù)自定義的性能和靈活性組合，對任何高速并行數據處理都非常抱負。FPGA內部可以嵌入RISC軟核，應用FPGA內部的硬件可編程特性，和很強的靈活性和可擴展本領(lǐng)，大幅度地提升系統性能。由于FPGA沒(méi)有內置的網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）處理功能，用戶(hù)可經(jīng)過(guò)在FPGA內增加網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）系統所要求的特性，應用硬件描述語(yǔ)言（HDL）、知識（知識是人類(lèi)生產(chǎn)和生活經(jīng)驗的總結）產(chǎn)權核心（IP）和C語(yǔ)言對其進(jìn)行硬件編程。SOPC為網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全協(xié)議的實(shí)現提供了一個(gè)極靈活的處理方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃）。應用FPGA器件，可以在單片器件內集成范圍廣泛的硬和軟IP核，此中的硬件和固件具有可升級本領(lǐng)。SOPC的嵌可編程本領(lǐng)，縮短了系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，使單個(gè)FPGA處理方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃）更適用于設計需求，可以在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期中對系統進(jìn)行優(yōu)化，并且還為硬件和軟件設計提供了靈活、方便的方法，需要成為今后網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據處理技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。

　　2 多處理器系統處理方案

　　在嵌入式系統中實(shí)現網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）協(xié)議、暗碼算法處理的方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃）主要有ASIC、NP、FPGA、純軟件方式等，其系統內部一般為有一個(gè)CPU，每一個(gè)時(shí)刻CPU只能執行一條指令。該系統內部既然可以采用并行技術(shù)，如指令流水線(xiàn)、多個(gè)ALU單元和專(zhuān)用的協(xié)處理器等，但這些并行技術(shù)只能提升次序程序的指令執行速度，它無(wú)法提供進(jìn)程級、作業(yè)級的并行性。采用多處理器、多指令多數據流（MIMD）系統，可以提供高級并行性，它經(jīng)過(guò)并行處理實(shí)現最大的效率與功能，高級并行不但可以是多個(gè)處理器并且操縱，并且并且還能夠是多個(gè)程序（進(jìn)程）在同一時(shí)間片內執行。在具體的實(shí)現上可以是多處理器，多計算機、也可以將多處理器系統作為多計算機系統中的結點(diǎn)，構成一種混合的多處理機。MIMD實(shí)現方式與曾經(jīng)的SISD（單指令流單數據流）實(shí)現方式相比，增加了單位時(shí)間內的數據流，它經(jīng)過(guò)卸載單個(gè)處理器任務(wù)的策略來(lái)提升系統整體性能，經(jīng)過(guò)根據任務(wù)的分類(lèi)來(lái)組織任務(wù)執行，將不一樣類(lèi)型的任務(wù)放在不一樣的CPU中執行，任務(wù)間的協(xié)調是經(jīng)過(guò)共享存儲器中的公共變量或Send/Receive操縱原語(yǔ)來(lái)實(shí)現。該系統中給每個(gè)CPU分配了特定的任務(wù)，在這些任務(wù)中，大概會(huì )存在對特定I/O設備的訪(fǎng)問(wèn)，降低CPU對每個(gè)外部設備的訪(fǎng)問(wèn)要求。MIMD在硬件架構上更適于用多處理機實(shí)現，可以經(jīng)過(guò)共享的存儲器在不一樣的CPU上實(shí)現不一樣的專(zhuān)有任務(wù)，并且根據系統級任務(wù)進(jìn)行分類(lèi)，它提供了更高級別的并行性，將相關(guān)的任務(wù)放在同一CPU內執行，由各CPU之間并行地完成系統級任務(wù)，從一定程度上降低了進(jìn)程間因互相遷移而造成的通信時(shí)間，系統級的任務(wù)大概要求CPU可以訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)外部設備，要求相關(guān)任務(wù)在每個(gè)CPU執行的等效性，要求每個(gè)CPU有等同的硬件架構。實(shí)現任務(wù)的邏輯分組，更高效的發(fā)揮處理本領(lǐng)，可以以較低的時(shí)鐘頻率和功耗實(shí)現較高的性能。多處理機中共享的存儲器經(jīng)過(guò)ICN（互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的））被所有的CPU共享，其ICN的實(shí)現方式將決定多處理器的個(gè)數及系統性能，當采用總線(xiàn)方式時(shí)，其處理器的個(gè)數一般不超過(guò)4個(gè)，當采用交叉開(kāi)關(guān)的方式時(shí)可擴展到####個(gè)。MIMD系統中多計算機架構為系統級并行提供了方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃），而多處理機為任務(wù)級并行提供了方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃），經(jīng)過(guò)并行處理實(shí)現最大的效率與功能，并行不但指多個(gè)處理器并且操縱，并且指多個(gè)程序（進(jìn)程）在同一時(shí)間片內執行。它靈活的方式可以克服SISD系統中CPU大量頻繁的數據操縱所消耗大量CPU等待時(shí)間，系統由多個(gè)SU（System Unit）單元構成，系統可以并行地處理N個(gè)系統級任務(wù)，SU提供系統級功能，主要完成網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）協(xié)議、暗碼算法處理功能，由TU（Task Unit）任務(wù)單元提供比力單一的任務(wù)功能，如TU0完成網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）協(xié)議，TU1完成暗碼算法?；旌戏绞綖橄到y并行性提供了更多的組合方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃），整個(gè)系統可以集成更多的SU單元，SU單元又可以集成更多的TU單元，分層級連的方式擴容了系統的集成本領(lǐng)，極大地提升了系統的并行性。

　　3 對于NiosII的嵌入式網(wǎng)絡(luò )

數據處理系統嵌入式系統中網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全實(shí)現的技術(shù)主要有關(guān)到主機安全技術(shù)、身份認證、訪(fǎng)問(wèn)控制、安全傳輸協(xié)議、數據加密、防火墻、安全審計等技術(shù)，此中網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據傳輸是基礎，數加密技術(shù)是核心?，F在網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全協(xié)議的實(shí)現上大多采用了單處理器系統（無(wú)法提供進(jìn)程級、作業(yè)級的并行性）、并且嵌入式系統中系統的時(shí)鐘提升空間在時(shí)間上日趨飽和，系統在軟件上需求也越來(lái)越復雜，應用需求也越來(lái)越多，對于單CPU的設計方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃）無(wú)法適應這樣日益復雜的必要。所以，引入多處理機成為一種必然。對于NiosII的可擴展多處理器方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃），較好地處理了CPU之間信息高效交互、緩沖區一致性、任務(wù)劃分、系統集成度等相關(guān)系列難題。NiosII是Nios的第二代產(chǎn)品，其速度更快、資源占用更少，僅保存了32位模式。NiosII是32位RISC嵌入式處理器，其性能可以超過(guò)200MIP，由于是軟核處理器，具有較高的靈活性，在嵌入式系統中，可以實(shí)現從硬件、軟件、性能、編譯環(huán)境等多個(gè)方面對處理器，網(wǎng)卡芯片的類(lèi)型、實(shí)現方式等硬件整體架構進(jìn)行設計。NiosII IDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）是NiosII嵌入式系統的基本軟件開(kāi)發(fā)工具，所有的軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)都需要在NiosII IDE下完成，包括編輯、編譯和調試程序。嵌入式系統的軟件開(kāi)發(fā)可分為應用程序開(kāi)發(fā)和驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)兩部分。NiosII IDE為用戶(hù)提供了設備的驅動(dòng)程序，這便是硬件抽象層（HAL）系統庫，用戶(hù)只要應用HAL提供的各種函數就可以編寫(xiě)應用程序，HAL系統庫在NiosII IDE中創(chuàng )建一個(gè)新的工程時(shí)，由IDE智能化生成。NiosII IDE是和SOPC Builder緊密相關(guān)的，假設硬件配置有了變化，HAL設備驅動(dòng)配置也會(huì )自動(dòng)隨之變動(dòng)，從而避免了由于底層硬件的變化而產(chǎn)生的編程錯誤。NiosII IDE也為用戶(hù)自動(dòng)創(chuàng )建和辦理HAL系統庫文件提供了極大的方便，用戶(hù)不用創(chuàng )建或拷貝HAL文件，也不用編輯HAL中的任何源代碼。對于NiosII的嵌入式系統開(kāi)發(fā)，必要應用Altera公司的SOPC開(kāi)發(fā)環(huán)境，它主要由由三個(gè)部分組成組成：IP庫（NiosII處理器，Avlon總線(xiàn)，外圍設備接口等），SOPC Builde開(kāi)發(fā)工具，IDE軟件編譯器。其開(kāi)發(fā)整個(gè)過(guò)程主要有：首先確定系統的需求，如應用系統必要的計算機性能、帶寬和吞吐量、接口類(lèi)型和是否必要多線(xiàn)程的軟件等。然后進(jìn)行硬件設計，應用Altera提供的IP庫，在SOPC Builde中添加必要的功能模塊，生成一個(gè)NiosII系統模塊，最后在Quartus中編譯生成軟件，完成軟件設計。在NiosII IDE軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中，用戶(hù)并且還能夠根據必要編寫(xiě)自定義設備的操縱流程、操縱系統的移植、相應的應用代碼等。

　　4 結束語(yǔ)與展望

　　筆者針對嵌入式系統對網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據傳輸、網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全協(xié)議實(shí)現方上，對SOPC技術(shù)進(jìn)行了闡述，提出了多處理器系統處理方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃）和了對于NiosII的軟、硬聯(lián)合的雙核的網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據處理處理方案（進(jìn)行工作的具體計劃或對某一問(wèn)題制定的規劃）。這種對于SOPC技術(shù)、NIOS－II多處理機的網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據處理方法將成為今后網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據處理技術(shù)發(fā)展的方向。