淺析可管理FPGA動態(tài)可重配置的新型操作系統(tǒng)

在過去，靜態(tài)決策最壞情況分配曾為嚴格的實時約束提供了解決方案，而現(xiàn)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，對軟硬件線程進行管理的操作系統(tǒng)。

我們的目標是設計一種支持新的系統(tǒng)分區(qū)類型的架構，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展操作系統(tǒng)。近年來，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和數(shù)據(jù)，來增加運算單元，最終滿足設計約束的要求。目前，隨著異構計算內(nèi)核的加入，這種趨勢仍在繼續(xù)。不過這種技術遇到了難以逾越的復雜性障礙，因為它需要對編程模型進行更高層次的抽象。

為了攻克這些難題，我們建議定義一個統(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)行模型的硬件實現(xiàn)高度依賴動態(tài)可重配置邏輯的使用。全分布式架構結合傳統(tǒng)多核軟件子系統(tǒng)，可同時兼?zhèn)滠?硬件的優(yōu)點。軟件部分很適用于智能化事件控制和決策，而硬件部分則擅長于提高能效、吞吐量以及數(shù)字運算。通過兩者的結合，無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現(xiàn)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，能夠在單個或兩個芯片上集成一個完整的異構動態(tài)運算系統(tǒng)。

自適應硬件在諸如導彈電子和軟件無線電等功耗和系統(tǒng)尺寸有限，同時對環(huán)境高度敏感的應用中非常有用。采用動態(tài)重配置技術，可以在不增加系統(tǒng)功耗或電路板尺寸的情況下，實現(xiàn)支持不同應用模式的專用架構。傳統(tǒng)解決方案側重于控制部分，現(xiàn)在看來似乎已經(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)建出面向未來的架構。

雖然這種技術潛力無限，但對整個業(yè)界來說，動態(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，不增加開發(fā)成本。為了將動態(tài)性和高性能結合起來，我們建議采用基于多線程的執(zhí)行模型對異構性進行抽象。開發(fā)人員可以將應用當作線程集來進行編程，而不必考慮線程是在標準處理器還是專用硬件上執(zhí)行。在這種情況下，動態(tài)重配置的作用是進行線程優(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(tǒng)）項目就專門負責開發(fā)這種新一代嵌入式、分布式實時操作系統(tǒng)。

FOSFOR 架構基礎
我們的目標是設計一種支持新的系統(tǒng)分區(qū)類型的架構，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展操作系統(tǒng)，能夠為軟件域和硬件域提供相似的接口。與傳統(tǒng)方法不同，這種操作系統(tǒng)是完全分布式的，整個平臺從應用的角度來看是同構的。這就意味著既能以靜態(tài)方式，也能以動態(tài)方式在軟件（處理器）或者硬件（可重配置單元）中部署應用線程，對分布式服務進行無差別的訪問。

為了實現(xiàn)高效率，我們在緊鄰可重配置區(qū)的硬件中實現(xiàn)操作系統(tǒng)服務。我們在異構操作系統(tǒng)內(nèi)核之間實現(xiàn)了一個通信層，以確保從應用角度看服務是同構的。因此，將操作系統(tǒng)當作大量模塊和執(zhí)行單元部署在架構上，可以充分發(fā)揮虛擬化機制的優(yōu)勢，從而使應用線程在未預知任務的情況下運行和通信。

從編程人員的角度來看，該應用只是個線程集。我們可以利用賽靈思 FPGA 的動態(tài)重配置功能來提議這種硬件線程的新概念，同時也可采用與軟件線程相同的方式來實現(xiàn)這一概念。我們的實現(xiàn)方式充分發(fā)揮了專用計算 IP 模塊的性能優(yōu)勢。

除了要考慮到多處理器 SoC 中的執(zhí)行單元，存儲器結構還必須滿足以下幾項要求：應用線程需要的數(shù)據(jù)存儲、每個線程執(zhí)行上下文的存儲以及線程間的數(shù)據(jù)交換。對于執(zhí)行上下文的存儲，我們認為有多種可能性。一種方式是集中存儲執(zhí)行上下文，這樣為將其分配到不同執(zhí)行單元提供介質。我們可以確認平臺內(nèi)的三種通信流：應用數(shù)據(jù)、控制信號和重配置/執(zhí)行上下文。對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 (NoC)。

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圖 1：通用 FOSFOR 架構
圖中文字：
靈活的操作系統(tǒng) 軟件 線程 應用 中間件（虛擬化、分布、靈活性） 操作系統(tǒng) 1（X 服務） 操作系統(tǒng) n（Y 服務） 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 (GPP) 硬件節(jié)點（可重配置區(qū)域） 片上網(wǎng)絡 共享存儲器

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