支持過程級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)計算單元、存儲器等。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算的一種極具競爭力的技術(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)性能的同時也帶來了設(shè)計上的困難。設(shè)計人員需要詳細(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)計的復(fù)雜度，難以實現(xiàn)高效、可靠的設(shè)計流程。 針對上述問題，本文研究并實現(xiàn)了一種支持過程級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)用特點歸類成硬件函數(shù)庫提供給設(shè)計者

3、，使其能簡單方便地通過軟件高級語言調(diào)用功能實現(xiàn)系統(tǒng)描述。為了增強(qiáng)硬件函數(shù)的可移植性，對硬件函數(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)計為單獨的模塊。在應(yīng)用中，我們在Linux內(nèi)核增加了可重構(gòu)資源管理器與硬件函數(shù)驅(qū)動管理器模塊，以便對硬件函數(shù)的動態(tài)配置及底層驅(qū)動與運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行統(tǒng)一管理。針對Xilinx Virtex-Ⅱ Pro系列FPGA建立了一個可靠的，模塊化的動態(tài)部分重構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計流程，包括建立初

4、始硬件平臺、靜態(tài)與重構(gòu)模塊的劃分與設(shè)計、模塊激活與系統(tǒng)集成等步驟。最后選擇在Xilinx Virtex-Ⅱ Pro XC2VP30平臺上設(shè)計實現(xiàn)了一個主面向圖形圖象應(yīng)用領(lǐng)域的動態(tài)部分可重構(gòu)原型系統(tǒng)。 為了對整套方案進(jìn)行驗證，通過運(yùn)行硬件函數(shù)實例對原型系統(tǒng)進(jìn)了性能測試。實驗證明，該系統(tǒng)能夠較好地支持過程級的硬件透明編程，設(shè)計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)將自動完成硬件加速器配置，并控制加