賽靈思FPGA：面向動(dòng)態(tài)應用的靈活操作系統

一臺在未知的土地上行進(jìn)的自動(dòng)機器人；一部能夠根據信號強度改變解壓縮格式的視頻解碼器；一套寬帶電子對抗系統；一種用于機動(dòng)車(chē)輛的自適應圖像跟蹤算法……這些都屬于大量涌現的隨環(huán)境瞬變做出快速響應的新興嵌入式或者關(guān)鍵任務(wù)應用。在過(guò)去，靜態(tài)決策最壞情況分配曾為嚴格的實(shí)時(shí)約束提供了解決方案，而現在靈活性也成為一項要求。法國某研究項目建議使用的解決方案是一種分布在 FPGA 資源上，對軟硬件線(xiàn)程進(jìn)行管理的操作系統。

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。

近年來(lái)，特別是在嵌入式系統中，隨著(zhù)片上系統 (SoC) 密度的增大，可以通過(guò)并行處理任務(wù)和數據，來(lái)增加運算單元，最終滿(mǎn)足設計約束的要求。目前，隨著(zhù)異構計算內核的加入，這種趨勢仍在繼續。不過(guò)這種技術(shù)遇到了難以逾越的復雜性障礙，因為它需要對編程模型進(jìn)行更高層次的抽象。

為了攻克這些難題，我們建議定義一個(gè)統一的執行模型，不管線(xiàn)程是映射到硬件還是軟件上都可以使用。該執行模型的硬件實(shí)現高度依賴(lài)動(dòng)態(tài)可重配置邏輯的使用。全分布式架構結合傳統多核軟件子系統，可同時(shí)兼備軟/硬件的優(yōu)點(diǎn)。軟件部分很適用于智能化事件控制和決策，而硬件部分則擅長(cháng)于提高能效、吞吐量以及數字運算。通過(guò)兩者的結合，無(wú)論是針對每種特定的應用，還是針對某一應用的某一特定狀態(tài)，我們都能在性能與資源利用率之間實(shí)現最佳平衡。

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。