面向动态应用的灵活操作系统

利用赛灵思 FPGA 的动态重配置功能，同构多线程执行模型可同时兼得软件灵活性和硬件性能。

一台在未知的土地上行进的自动机器人；一部能够根据信号强度改变解压缩格式的视频解码器；一套宽带电子对抗系统；一种用于机动车辆的自适应图像跟踪算法……这些都属于大量涌现的随环境瞬变做出快速响应的新兴嵌入式或者关键任务应用。在过去，静态决策最坏情况分配曾为严格的实时约束提供了解决方案，而现在灵活性也成为一项要求。法国某研究项目建议使用的解决方案是一种分布在 FPGA 资源上，对软硬件线程进行管理的操作系统。

我们的目标是设计一种支持新的系统分区类型的架构，让软/硬件组件遵循同一执行模型。这就要求高度灵活的可扩展操作系统。

近年来，特别是在嵌入式系统中，随着片上系统 (SoC) 密度的增大，可以通过并行处理任务和数据，来增加运算单元，最终满足设计约束的要求。目前，随着异构计算内核的加入，这种趋势仍在继续。不过这种技术遇到了难以逾越的复杂性障碍，因为它需要对编程模型进行更高层次的抽象。

为了攻克这些难题，我们建议定义一个统一的执行模型，不管线程是映射到硬件还是软件上都可以使用。该执行模型的硬件实现高度依赖动态可重配置逻辑的使用。全分布式架构结合传统多核软件子系统，可同时兼备软/硬件的优点。软件部分很适用于智能化事件控制和决策，而硬件部分则擅长于提高能效、吞吐量以及数字运算。通过两者的结合，无论是针对每种特定的应用，还是针对某一应用的某一特定状态，我们都能在性能与资源利用率之间实现最佳平衡。

新型 FPGA 平台具有高度的灵活性和可扩展性，且集成度高，能够在单个或两个芯片上集成一个完整的异构动态运算系统。

自适应硬件在诸如导弹电子和软件无线电等功耗和系统尺寸有限，同时对环境高度敏感的应用中非常有用。采用动态重配置技术，可以在不增加系统功耗或电路板尺寸的情况下，实现支持不同应用模式的专用架构。传统解决方案侧重于控制部分，现在看来似乎已经不能有效地满足执行单元的数量及其异构性要求。只有采用兼具灵活性和可扩展性的分布式方案，才能够创建出面向未来的架构。

虽然这种技术潜力无限，但对整个业界来说，动态重配置的使用仍然有相当大的难度。工程师需要一种清晰明确的设计方式，既能够充分地发挥动态重配置的优势，又不影响应用描述，而且最重要的是，不增加开发成本。为了将动态性和高性能结合起来，我们建议采用基于多线程的执行模型对异构性进行抽象。开发人员可以将应用当作线程集来进行编程，而不必考虑线程是在标准处理器还是专用硬件上执行。在这种情况下，动态重配置的作用是进行线程优先调度(thread preemption)和上下文切换。由法国国家研究署 (French National Research Agency (ANR)) 赞助的 FOSFOR（灵活的可重配置平台操作系统）项目就专门负责开发这种新一代嵌入式、分布式实时操作系统。

FOSFOR 架构基础

我们的目标是设计一种支持新的系统分区类型的架构，让软/硬件组件遵循同一执行模型。这就要求高度灵活的可扩展操作系统，能够为软件域和硬件域提供相似的接口。与传统方法不同，这种操作系统是完全分布式的，整个平台从应用的角度来看是同构的。这就意味着既能以静态方式，也能以动态方式在软件（处理器）或者硬件（可重配置单元）中部署应用线程，对分布式服务进行无差别的访问。

为了实现高效率，我们在紧邻可重配置区的硬件中实现操作系统服务。我们在异构操作系统内核之间实现了一个通信层，以确保从应用角度看服务是同构的。因此，将操作系统当作大量模块和执行单元部署在架构上，可以充分发挥虚拟化机制的优势，从而使应用线程在未预知任务的情况下运行和通信。

从编程人员的角度来看，该应用只是个线程集。我们可以利用赛灵思 FPGA 的动态重配置功能来提议这种硬件线程的新概念，同时也可采用与软件线程相同的方式来实现这一概念。我们的实现方式充分发挥了专用计算 IP 模块的性能优势。

除了要考虑到多处理器 SoC 中的执行单元，存储器结构还必须满足以下几项要求：应用线程需要的数据存储、每个线程执行上下文的存储以及线程间的数据交换。对于执行上下文的存储，我们认为有多种可能性。一种方式是集中存储执行上下文，这样为将其分配到不同执行单元提供介质。我们可以确认平台内的三种通信流：应用数据、控制信号和重配置/执行上下文。对于硬件线程之间的高带宽数据路径，我们使用专用的片上网络 (NoC)。


图 1：通用 FOSFOR 架构

图中文字：
灵活的操作系统  软件  线程  应用  中间件（虚拟化、分布、灵活性）  操作系统 1（X 服务）  操作系统 n（Y 服务）  硬件抽象层 (HAL)  软件通信单元  硬件通信单元  硬件  软件节点 (GPP)  硬件节点（可重配置区域）  片上网络  共享存储器