面向动态应用的灵活操作系统

性能加速

构建硬件操作系统的主要原因出于性能和灵活性方面的考虑。该操作系统本可以采用纯软件或纯硬件。由于每次调用操作系统原语都会涉及开销，即线程等待时间，操作系统速度越快，浪费的时间就越少。为了评估开销，我们必须就硬件操作系统的时序和原始的软件操作系统 RTEMS 做一比较。

硬件本地运行只需要数十个周期，而为了访问共享存储器，硬件全局运行需要数百个周期。经我们评估，与软件操作系统的运行结果相比，本地创建-删除操作速度提高了 60 倍，其它操作速度也提高了约 50 倍。

硬件操作系统的资源使用（表 1）相差较大，这主要取决于激活的服务的数量及功能，比如我们为每项服务选择对象（信号量、线程等）的数量。我们使用赛灵思 Virtex-5 FX100T 来实现系统。表中列出了硬件操作系统使用的资源。余下的资源可用于实现其它系统组件及硬件线程自身。

实现的结构数量	8	16	32
CLB Slice	2,408 (15%)	3,151 (20%)	4,327 (27%)
D 触发器	5,498 (8.5%)	6,650 (10.4%)	8,918 (13.9%)
BRAM	8 (3.5%)	16 (7%)	32 (14%)

表 1 — 硬件操作系统 (Virtex-5 FX100) 的资源使用情况

对于网络性能，在 DRAFT 连接 8 个32 位字宽、缓冲深度为 4 个字，频率为100MHz 的组件的配置下，片上网络可使每个连接的组件的最大数据速率高达 1,040Mbps。网络的拓扑和路由协议保证不会出现争用和拥堵现象。在两个互连的组件间，至少一直保留着一条通信路径。数据通过 DRAFT 的平均时延接近 45 个时钟周期（450 纳秒），这符合许多应用的要求。

展望

我们提议采用一种创新型的操作系统，可以在由多个处理器和动态可重配置硬件 IP 模块构成的异构多核架构上提供基于多线程的同构执行模型。硬件操作系统负责管理硬件线程，一般用于线程创建和抑制，以及信息量和消息队列服务。在通信方面，我们建议改进用于数据交换的胖树拓扑片上网络、用于硬件线程管理的专用总线以及为实现操作系统间同步的通信层。

从行业角度来看，下一步是演示为确保执行模型的同构性而添加的硬件的功能，这可以真正提升编程效率，同时还能在专用 IP 模块上保持较低性能开销。

我们将在一个代表性的、基于搜索跟踪算法的泰雷兹公司应用上演示我们的方法。跟踪线程将被映射到可重配置分区，并根据目标探测情况动态地创建。

来源：赛灵思Xcell杂志