賽靈思：面向動(dòng)態(tài)應(yīng)用的靈活操作系統(tǒng)

利用賽靈思 FPGA 的動(dòng)態(tài)重配置功能，同構(gòu)多線程執(zhí)行模型可同時(shí)兼得軟件靈活性和硬件性能。

一臺(tái)在未知的土地上行進(jìn)的自動(dòng)機(jī)器人；一部能夠根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度改變解壓縮格式的視頻解碼器；一套寬帶電子對(duì)抗系統(tǒng)；一種用于機(jī)動(dòng)車輛的自適應(yīng)圖像跟蹤算法……這些都屬于大量涌現(xiàn)的隨環(huán)境瞬變做出快速響應(yīng)的新興嵌入式或者關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用。在過去，靜態(tài)決策最壞情況分配曾為嚴(yán)格的實(shí)時(shí)約束提供了解決方案，而現(xiàn)在靈活性也成為一項(xiàng)要求。法國(guó)某研究項(xiàng)目建議使用的解決方案是一種分布在 FPGA 資源上，對(duì)軟硬件線程進(jìn)行管理的操作系統(tǒng)。

我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種支持新的系統(tǒng)分區(qū)類型的架構(gòu)，讓軟/硬件組件遵循同一執(zhí)行模型。這就要求高度靈活的可擴(kuò)展操作系統(tǒng)。

近年來(lái)，特別是在嵌入式系統(tǒng)中，隨著片上系統(tǒng) (SoC) 密度的增大，可以通過并行處理任務(wù)和數(shù)據(jù)，來(lái)增加運(yùn)算單元，最終滿足設(shè)計(jì)約束的要求。目前，隨著異構(gòu)計(jì)算內(nèi)核的加入，這種趨勢(shì)仍在繼續(xù)。不過這種技術(shù)遇到了難以逾越的復(fù)雜性障礙，因?yàn)樗枰獙?duì)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(tǒng)一的執(zhí)行模型，不管線程是映射到硬件還是軟件上都可以使用。該執(zhí)行模型的硬件實(shí)現(xiàn)高度依賴動(dòng)態(tài)可重配置邏輯的使用。全分布式架構(gòu)結(jié)合傳統(tǒng)多核軟件子系統(tǒng)，可同時(shí)兼?zhèn)滠?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(zhǎng)于提高能效、吞吐量以及數(shù)字運(yùn)算。通過兩者的結(jié)合，無(wú)論是針對(duì)每種特定的應(yīng)用，還是針對(duì)某一應(yīng)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(xiàn)最佳平衡。

新型 FPGA 平臺(tái)具有高度的靈活性和可擴(kuò)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(gòu)動(dòng)態(tài)運(yùn)算系統(tǒng)。

自適應(yīng)硬件在諸如導(dǎo)彈電子和軟件無(wú)線電等功耗和系統(tǒng)尺寸有限，同時(shí)對(duì)環(huán)境高度敏感的應(yīng)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(tǒng)功耗或電路板尺寸的情況下，實(shí)現(xiàn)支持不同應(yīng)用模式的專用架構(gòu)。傳統(tǒng)解決方案?jìng)?cè)重于控制部分，現(xiàn)在看來(lái)似乎已經(jīng)不能有效地滿足執(zhí)行單元的數(shù)量及其異構(gòu)性要求。只有采用兼具靈活性和可擴(kuò)展性的分布式方案，才能夠創(chuàng)建出面向未來(lái)的架構(gòu)。

雖然這種技術(shù)潛力無(wú)限，但對(duì)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(dāng)大的難度。工程師需要一種清晰明確的設(shè)計(jì)方式，既能夠充分地發(fā)揮動(dòng)態(tài)重配置的優(yōu)勢(shì)，又不影響應(yīng)用描述，而且最重要的是，不增加開發(fā)成本。為了將動(dòng)態(tài)性和高性能結(jié)合起來(lái)，我們建議采用基于多線程的執(zhí)行模型對(duì)異構(gòu)性進(jìn)行抽象。開發(fā)人員可以將應(yīng)用當(dāng)作線程集來(lái)進(jìn)行編程，而不必考慮線程是在標(biāo)準(zhǔn)處理器還是專用硬件上執(zhí)行。在這種情況下，動(dòng)態(tài)重配置的作用是進(jìn)行線程優(yōu)先調(diào)度(thread preemption)和上下文切換。由法國(guó)國(guó)家研究署 (French National Research Agency (ANR)) 贊助的 FOSFOR（靈活的可重配置平臺(tái)操作系統(tǒng)）項(xiàng)目就專門負(fù)責(zé)開發(fā)這種新一代嵌入式、分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

FOSFOR 架構(gòu)基礎(chǔ)

我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種支持新的系統(tǒng)分區(qū)類型的架構(gòu)，讓軟/硬件組件遵循同一執(zhí)行模型。這就要求高度靈活的可擴(kuò)展操作系統(tǒng)，能夠?yàn)檐浖蚝陀布蛱峁┫嗨频?a target="_blank">接口。與傳統(tǒng)方法不同，這種操作系統(tǒng)是完全分布式的，整個(gè)平臺(tái)從應(yīng)用的角度來(lái)看是同構(gòu)的。這就意味著既能以靜態(tài)方式，也能以動(dòng)態(tài)方式在軟件（處理器）或者硬件（可重配置單元）中部署應(yīng)用線程，對(duì)分布式服務(wù)進(jìn)行無(wú)差別的訪問。

為了實(shí)現(xiàn)高效率，我們?cè)诰o鄰可重配置區(qū)的硬件中實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)服務(wù)。我們?cè)诋悩?gòu)操作系統(tǒng)內(nèi)核之間實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通信層，以確保從應(yīng)用角度看服務(wù)是同構(gòu)的。因此，將操作系統(tǒng)當(dāng)作大量模塊和執(zhí)行單元部署在架構(gòu)上，可以充分發(fā)揮虛擬化機(jī)制的優(yōu)勢(shì)，從而使應(yīng)用線程在未預(yù)知任務(wù)的情況下運(yùn)行和通信。

從編程人員的角度來(lái)看，該應(yīng)用只是個(gè)線程集。我們可以利用賽靈思 FPGA 的動(dòng)態(tài)重配置功能來(lái)提議這種硬件線程的新概念，同時(shí)也可采用與軟件線程相同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一概念。我們的實(shí)現(xiàn)方式充分發(fā)揮了專用計(jì)算 IP 模塊的性能優(yōu)勢(shì)。

除了要考慮到多處理器 SoC 中的執(zhí)行單元，存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)還必須滿足以下幾項(xiàng)要求：應(yīng)用線程需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、每個(gè)線程執(zhí)行上下文的存儲(chǔ)以及線程間的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于執(zhí)行上下文的存儲(chǔ)，我們認(rèn)為有多種可能性。一種方式是集中存儲(chǔ)執(zhí)行上下文，這樣為將其分配到不同執(zhí)行單元提供介質(zhì)。我們可以確認(rèn)平臺(tái)內(nèi)的三種通信流：應(yīng)用數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和重配置/執(zhí)行上下文。對(duì)于硬件線程之間的高帶寬數(shù)據(jù)路徑，我們使用專用的片上網(wǎng)絡(luò) (NoC)。

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圖 1：通用 FOSFOR 架構(gòu)

圖中文字：
靈活的操作系統(tǒng)??軟件??線程??應(yīng)用??中間件（虛擬化、分布、靈活性）??操作系統(tǒng) 1（X 服務(wù)）??操作系統(tǒng) n（Y 服務(wù)）??硬件抽象層 (HAL)??軟件通信單元??硬件通信單元??硬件??軟件節(jié)點(diǎn) (GPP)??硬件節(jié)點(diǎn)（可重配置區(qū)域）??片上網(wǎng)絡(luò)??共享存儲(chǔ)器