可擴展動態(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：

　　一系列非專用(通用)處理器 (GPP)。GPP 負責支持軟件線程的執(zhí)行，以及包括線程調(diào)度在內(nèi)的一系列操作系統(tǒng)服務。GPP 在指令集架構和提供的服務數(shù)量方面不必同構。

　　一系列動態(tài)可重配置分區(qū)(也稱可重配置區(qū)域 (RR))。動態(tài)可重配置分區(qū)負責并行或串行執(zhí)行一系列硬件線程。與 GPP 相似，由于采用硬件操作系統(tǒng) (HwOS)，RR 也支持操作系統(tǒng)服務的執(zhí)行。這些區(qū)域對應著精粒度 (FPGA) 或粗粒度(可重配置處理器)架構。

　　共享著一條或多條物理通信通道的虛擬通信通道，用于控制、數(shù)據(jù)和配置?？刂仆ǖ镭撠煱巡僮飨到y(tǒng)服務之間的通信分配給執(zhí)行單元(GPP 和 RR)。數(shù)據(jù)通道負責傳輸與環(huán)境(器件、傳感器)有關的信息和線程之間的信息交換。配置通道負責在配置存儲器和執(zhí)行單元之間傳輸軟件線程(二進制代碼)和硬件線程(部分比特流)的配置。

　　每個處理器都有自己的本地存儲器。該存儲器負責存儲本地數(shù)據(jù)，在適用的情況下，也可存儲軟件代碼。連接到數(shù)據(jù)通道的共享存儲器可以實現(xiàn)不同處理器上線程間的數(shù)據(jù)共享。每個執(zhí)行單元都可以訪問共享存儲器上存儲的數(shù)據(jù)和軟件執(zhí)行資源程序。每個資源還可以訪問配置存儲器，以保存和恢復其執(zhí)行上下文。采用這種結構，可以在任何執(zhí)行資源上實現(xiàn)任何線程或服務。

　　在 RR 內(nèi)部，只有硬件任務需要動態(tài)重配置。負責托管任務的動態(tài)區(qū)域 (DR) 被包含操作系統(tǒng)服務硬件實現(xiàn)的靜態(tài)區(qū)域 (SR) 所包圍，同時在 RR 內(nèi)外部提供通信介質(zhì)。內(nèi)部數(shù)據(jù)流通信依靠專用的片上網(wǎng)絡。DR 和 SR 之間的接口采用總線宏并且有固定的位置。為實現(xiàn)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提供到可重配置分區(qū)的虛擬訪問。RR 根據(jù)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(qū)域。

　　我們根據(jù)預先測算的應用線程資源需求定義了調(diào)度/布局算法，以確保每個 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(qū)域結構

　　圖中文字：

　　控制 上下文(比特流) 靜態(tài)區(qū)域 可重配置區(qū)域 靜態(tài)區(qū)域 數(shù)據(jù) 硬件操作系統(tǒng) 控制 動態(tài)區(qū)域 線程 數(shù)據(jù) 片上網(wǎng)絡 硬件分區(qū)

　　3 操作系統(tǒng)、片上網(wǎng)絡及中間件

　　為具備靈活性，F(xiàn)OSFOR 架構使用了至少兩個操作系統(tǒng)實例：一個為運行在每個處理器上且負責處理軟件線程的軟件操作系統(tǒng);另一個為能夠管理硬件線程的硬件操作系統(tǒng)。為了在性能、開發(fā)時間以及標準化之間實現(xiàn)最佳平衡，我們使用了現(xiàn)有的軟件操作系統(tǒng)和全新的硬件操作系統(tǒng)。

　　該硬件操作系統(tǒng)利用賽靈思 FPGA 的動態(tài)部分重配置功能，在調(diào)度硬件線程方面與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)度軟件線程一樣靈活。

　　對軟件操作系統(tǒng)的要求是實時行為、能夠處理多個處理器并提供基本的進程間通信服務。我們選用了一個免費的開源操作系統(tǒng) RTEMS。出于兼容性原因，我們選用了 LEON Sparc 軟核處理器，同軟件節(jié)點一樣，其也是免費和開源的。

　　該硬件操作系統(tǒng)(HwOS)利用賽靈思 FPGA 的動態(tài)部分重配置功能，在調(diào)度硬件線程方面與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)度軟件線程一樣靈活。硬件線程由動態(tài)和靜態(tài)兩大部分組成。動態(tài)部分內(nèi)含一個用來執(zhí)行線程功能的 IP 模塊和一個用來使服務調(diào)用次序與硬件操作系統(tǒng)同步的有限狀態(tài)機。靜態(tài)部分則內(nèi)含一個與硬件操作系統(tǒng)相連的控制接口和一個用于與其它軟硬件任務進行交換數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡接口。

　　為支持多種線程間數(shù)據(jù)傳輸需要，我們開發(fā)出了一種靈活的片上網(wǎng)絡 DRAFT。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的通信服務足以支持軟件線程間的通信。但在我們的設計中，操作系統(tǒng)還需要支持硬件線程間的通信。為此，我們專門設計了 DRAFT 網(wǎng)絡。我們針對一個或者多個 DR 逐一綜合硬件線程，同時靜態(tài)地定義每個 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。一般來說，硬件線程要求高帶寬和低時延，故片上網(wǎng)絡必須提供高性能。我們?yōu)?DRAFT 選擇的拓撲是一種胖樹拓撲的擴展。我們設計的主要目的是為了限制資源開銷，同時實現(xiàn)高性能的線程間通信。

　　硬件平臺的異構性是設計人員部署應用時面臨的主要的復雜性障礙。在 FOSFOR 項目中，這種異構性不僅來自軟件域中的不同嵌入式處理器，還來自在單個平臺上同時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題。中間件實現(xiàn)了一組虛擬通道，可以在不必理會線程的實現(xiàn)區(qū)域的情況下進行線程間通信。這些服務跨平臺分布，提供了一個靈活的可擴展抽象層，讓 FOSFOR 構想臻于完善。