性能加速 - 賽靈思：面向動態(tài)應(yīng)用的靈活操作系統(tǒng)

性能加速

構(gòu)建硬件操作系統(tǒng)的主要原因出于性能和靈活性方面的考慮。該操作系統(tǒng)本可以采用純軟件或純硬件。由于每次調(diào)用操作系統(tǒng)原語都會涉及開銷，即線程等待時間，操作系統(tǒng)速度越快，浪費的時間就越少。為了評估開銷，我們必須就硬件操作系統(tǒng)的時序和原始的軟件操作系統(tǒng) RTEMS 做一比較。

硬件本地運行只需要數(shù)十個周期，而為了訪問共享存儲器，硬件全局運行需要數(shù)百個周期。經(jīng)我們評估，與軟件操作系統(tǒng)的運行結(jié)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(tǒng)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(shù)量及功能，比如我們?yōu)槊宽椃?wù)選擇對象（信號量、線程等）的數(shù)量。我們使用賽靈思 Virtex-5 FX100T 來實現(xiàn)系統(tǒng)。表中列出了硬件操作系統(tǒng)使用的資源。余下的資源可用于實現(xiàn)其它系統(tǒng)組件及硬件線程自身。

?? 實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)數(shù)量 ??	?? 8 ??	?? 16 ??	?? 32 ??
?? CLB Slice ??	?? 2,408 (15%) ??	?? 3,151 (20%) ??	?? 4,327 (27%) ??
?? D?觸發(fā)器 ??	?? 5,498 (8.5%) ??	?? 6,650 (10.4%) ??	?? 8,918 (13.9%) ??
?? BRAM ??	?? 8 (3.5%) ??	?? 16 (7%) ??	?? 32 (14%) ??

表 1 — 硬件操作系統(tǒng) (Virtex-5 FX100) 的資源使用情況

對于網(wǎng)絡(luò)性能，在 DRAFT 連接 8 個32 位字寬、緩沖深度為 4 個字，頻率為100MHz 的組件的配置下，片上網(wǎng)絡(luò)可使每個連接的組件的最大數(shù)據(jù)速率高達(dá) 1,040Mbps。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜吐酚蓞f(xié)議保證不會出現(xiàn)爭用和擁堵現(xiàn)象。在兩個互連的組件間，至少一直保留著一條通信路徑。數(shù)據(jù)通過 DRAFT 的平均時延接近 45 個時鐘周期（450 納秒），這符合許多應(yīng)用的要求。

展望

我們提議采用一種創(chuàng)新型的操作系統(tǒng)，可以在由多個處理器和動態(tài)可重配置硬件 IP 模塊構(gòu)成的異構(gòu)多核架構(gòu)上提供基于多線程的同構(gòu)執(zhí)行模型。硬件操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理硬件線程，一般用于線程創(chuàng)建和抑制，以及信息量和消息隊列服務(wù)。在通信方面，我們建議改進用于數(shù)據(jù)交換的胖樹拓?fù)淦暇W(wǎng)絡(luò)、用于硬件線程管理的專用總線以及為實現(xiàn)操作系統(tǒng)間同步的通信層。

從行業(yè)角度來看，下一步是演示為確保執(zhí)行模型的同構(gòu)性而添加的硬件的功能，這可以真正提升編程效率，同時還能在專用 IP 模塊上保持較低性能開銷。

我們將在一個代表性的、基于搜索跟蹤算法的泰雷茲公司應(yīng)用上演示我們的方法。跟蹤線程將被映射到可重配置分區(qū)，并根據(jù)目標(biāo)探測情況動態(tài)地創(chuàng)建。