支持過程級(jí)硬件透明編程的可重構(gòu)片上系統(tǒng)研究.pdf

1、可重構(gòu)片上系統(tǒng)(Reconfigurable System-on-Chip，RSoC)通常包含微處理器、可重構(gòu)計(jì)算單元、存儲(chǔ)器等。其中微處理器用來執(zhí)行順序和非臨界代碼，而具有高度并行性或計(jì)算密集的應(yīng)用可置于可重構(gòu)單元上通過硬件加速器實(shí)現(xiàn)。這種微處理器和可重構(gòu)硬件模塊的混合結(jié)構(gòu)，兼顧了通用微處理器的靈活性與專用集成電路的高效性，被認(rèn)為是可以滿足未來嵌入式計(jì)算的一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)解決方案。 在可重構(gòu)片上系統(tǒng)中，硬件資源不同于傳統(tǒng)理

2、解中那樣固定不變，而是像軟件一樣可以靈活配置，因而縮小了軟硬件之間的差異，增進(jìn)了其間的交融程度。但在增強(qiáng)系統(tǒng)性能的同時(shí)也帶來了設(shè)計(jì)上的困難。設(shè)計(jì)人員需要詳細(xì)了解硬件接口細(xì)節(jié)，管理硬件加速器的配置，制定軟硬件通信方法，從而增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，難以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的設(shè)計(jì)流程。 針對(duì)上述問題，本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種支持過程級(jí)硬件透明編程的可重構(gòu)片上系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，硬件模塊被封裝成函數(shù)的形式，并根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)歸類成硬件函數(shù)庫提供給設(shè)計(jì)者

3、，使其能簡(jiǎn)單方便地通過軟件高級(jí)語言調(diào)用功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)描述。為了增強(qiáng)硬件函數(shù)的可移植性，對(duì)硬件函數(shù)進(jìn)行了模塊化的封裝，把硬件函數(shù)中與底層硬件及操作系統(tǒng)密切相關(guān)的部分提取出來設(shè)計(jì)為單獨(dú)的模塊。在應(yīng)用中，我們?cè)贚inux內(nèi)核增加了可重構(gòu)資源管理器與硬件函數(shù)驅(qū)動(dòng)管理器模塊，以便對(duì)硬件函數(shù)的動(dòng)態(tài)配置及底層驅(qū)動(dòng)與運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行統(tǒng)一管理。針對(duì)Xilinx Virtex-Ⅱ Pro系列FPGA建立了一個(gè)可靠的，模塊化的動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，包括建立初

4、始硬件平臺(tái)、靜態(tài)與重構(gòu)模塊的劃分與設(shè)計(jì)、模塊激活與系統(tǒng)集成等步驟。最后選擇在Xilinx Virtex-Ⅱ Pro XC2VP30平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)主面向圖形圖象應(yīng)用領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)部分可重構(gòu)原型系統(tǒng)。 為了對(duì)整套方案進(jìn)行驗(yàn)證，通過運(yùn)行硬件函數(shù)實(shí)例對(duì)原型系統(tǒng)進(jìn)了性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠較好地支持過程級(jí)的硬件透明編程，設(shè)計(jì)人員不用了解硬件加速器的配置和接口細(xì)節(jié)，只需在程序中調(diào)用相應(yīng)硬件函數(shù)，系統(tǒng)將自動(dòng)完成硬件加速器配置，并控制加