基于sopc技術(shù)構(gòu)建fpga上的bs系統(tǒng)

1、基于SOPC技術(shù)構(gòu)建FPGA上的BS系統(tǒng)摘要：本文論述了使用FPGA器件，利用SOPC嵌入式開發(fā)技術(shù)，復(fù)用多種軟CPUIP核，使用片內(nèi)總線代替機(jī)群內(nèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，移植現(xiàn)有的軟件開發(fā)方法，在片上構(gòu)建包含WEB服務(wù)器、業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的BS系統(tǒng)的可行性及實(shí)現(xiàn)方法，并給出一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)方案。引言BS系統(tǒng)一直是基于大中小型服務(wù)器、臺(tái)式機(jī)等通用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的。為具體單個(gè)的BS系統(tǒng)從芯片開始量身訂做一整套計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，使其安全、可

2、靠、高效地運(yùn)行，長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是一件不現(xiàn)實(shí)的事情。近年來，F(xiàn)PGA器件和SOPC嵌入式開發(fā)技術(shù)的迅速發(fā)展為多處理器片上系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了靈活的解決方案。利用可配置處理器軟核復(fù)用的多處理器片上系統(tǒng)，借以實(shí)現(xiàn)BS系統(tǒng)軟硬件一體化，已經(jīng)成為一個(gè)值得研究的課題。本文探討使用FPGA器件，利用SOPC技術(shù)，復(fù)用多種軟CPUIP核，移植現(xiàn)有的編程模式，在片上構(gòu)建一個(gè)多處理器BS系統(tǒng)的可行性及實(shí)現(xiàn)方法。這種系統(tǒng)不僅效率、處理事務(wù)的吞吐率與現(xiàn)有的以通用機(jī)

3、為主的BS系統(tǒng)相當(dāng)，且其安全性、可靠性更好，成本更為低廉。一、可行性當(dāng)前的典型BS系統(tǒng)一般分為三層：數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層，另外，其后臺(tái)一般都需要DBMS為其提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。系統(tǒng)所需的機(jī)器主要有：數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器，三種服務(wù)器軟件可以部署在一臺(tái)機(jī)器上，也可部署在多臺(tái)機(jī)器上，各機(jī)器之間用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連，目前流行的部署方式屬于后者。在BS系統(tǒng)中，一個(gè)用戶從瀏覽器輸入U(xiǎn)RL到一樁事務(wù)處理完畢基本上要經(jīng)歷如下

4、幾個(gè)過程：1、Web服務(wù)器解釋頁面腳本2、在遇到業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)算時(shí)調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層API3、業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用程序進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)算4、業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用程序在遇到數(shù)據(jù)庫(kù)操作時(shí)向DBMS傳遞SQL語句5、DBMS操作數(shù)據(jù)庫(kù)，并返回結(jié)果給應(yīng)用邏輯應(yīng)用程序6、應(yīng)用邏輯應(yīng)用程序運(yùn)行完畢時(shí)返回結(jié)果給Web服務(wù)器7、Web服務(wù)器生成結(jié)果HTML頁面返回給客戶端其中26的過程可能會(huì)在一個(gè)頁面里處理多次，35的過程可能會(huì)在一次業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)算時(shí)處理多次。因此，通常情況下，負(fù)

5、荷最重的是DBMS，其次是業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用子系統(tǒng)，最后才是Web服務(wù)子系統(tǒng)。其中，DBMS還要受限于磁盤讀寫速度瓶頸。當(dāng)多個(gè)用戶請(qǐng)求頁面時(shí)，不同架構(gòu)的BS系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間是不同的。為了簡(jiǎn)便測(cè)算系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間，先假設(shè)每次頁面請(qǐng)求時(shí)，Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器線性執(zhí)行。設(shè)單個(gè)頁面在Web服務(wù)器上運(yùn)行的時(shí)間為TW，在應(yīng)用服務(wù)器上運(yùn)行的時(shí)間為TA，在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上運(yùn)行的時(shí)間為TD，通信開銷為TC。則，串行執(zhí)行一個(gè)頁面處理所需的時(shí)間為：（1）

6、TCTDTATWT????0數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)CPU應(yīng)用服務(wù)CPU1。。。。。。應(yīng)用服務(wù)CPUnWebServerCPU本地存儲(chǔ)器LM本地存儲(chǔ)器LMscsi控制器LMLMLM應(yīng)用服務(wù)共享存儲(chǔ)器磁盤陣列交叉開關(guān)總線數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)子系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)Web服務(wù)子系統(tǒng)以太網(wǎng)接口全局共享存儲(chǔ)器（多體低位交叉存儲(chǔ)器）總線橋圖1片上多核BS系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖1中，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、Web服務(wù)三個(gè)子系統(tǒng)之間用交叉開關(guān)總線（SwitchFabric）Wishbo

7、ne互連。其中，Web服務(wù)子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)子系統(tǒng)使用OpenRisc1200，應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)采用NiosII多核復(fù)用實(shí)現(xiàn)一個(gè)SMP（對(duì)稱多處理器系統(tǒng)），用Avalon總線互連，子系統(tǒng)內(nèi)共享一個(gè)內(nèi)部共享存儲(chǔ)器，子系統(tǒng)的Avalon總線與全局的Wishbone總線用一個(gè)總線橋來實(shí)現(xiàn)兩種總線信號(hào)的轉(zhuǎn)換。三個(gè)子系統(tǒng)之間使用一個(gè)全局共享存儲(chǔ)器作為通信媒介。圖中每個(gè)存儲(chǔ)器（包括本地存儲(chǔ)器和共享存儲(chǔ)器）均通過各自的存儲(chǔ)控制器連在總線。本地存儲(chǔ)器分兩

8、塊，一塊為存儲(chǔ)運(yùn)行程序的FLASH芯片，一塊為程序運(yùn)行中使用的RAM，可以為SDRAM或者DDRSDRAM、DDR2SDRAM。共享存儲(chǔ)器均需有一個(gè)硬件Mutex核，以保證各處理器對(duì)共享內(nèi)存的互斥訪問。除總線橋外，其余的IP核均可由Altera公司提供或從OpenCes網(wǎng)站上免費(fèi)下載。各子系統(tǒng)中所需運(yùn)行的軟件都放在各自的本地的FLASH中，對(duì)于運(yùn)行中的各子系統(tǒng)而言，F(xiàn)LASH是只讀的。只有在停機(jī)時(shí)，通過另外的專用硬件工具，才可以執(zhí)行FL

9、ASH寫操作。這樣，可以有效避免黑客篡改程序，對(duì)木馬、病毒等安全性隱患能起到一些預(yù)防作用。在不能停機(jī)維護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)合，由于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)媒介與程序的存儲(chǔ)媒介完全隔離，且除磁盤陣列以外，系統(tǒng)的造價(jià)較為低廉，復(fù)制一個(gè)備份設(shè)備代價(jià)不大，其熱切換時(shí)所需完成的工作以及完成時(shí)間比通用機(jī)系統(tǒng)要少得多。三、軟件開發(fā)環(huán)境對(duì)于一個(gè)BS系統(tǒng)，軟件開發(fā)的難易直接影響到系統(tǒng)的應(yīng)用。BS應(yīng)用需求時(shí)常改變，因而，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮到Web網(wǎng)頁腳本和業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用程序的更新