可扩展动态重配置的新型FPGA平台设计

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。

1 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2 全局架构

全局架构如图1 所示，其组成包括：

一系列非专用(通用)处理器 (GPP)。GPP 负责支持软件线程的执行，以及包括线程调度在内的一系列操作系统服务。GPP 在指令集架构和提供的服务数量方面不必同构。

一系列动态可重配置分区(也称可重配置区域 (RR))。动态可重配置分区负责并行或串行执行一系列硬件线程。与 GPP 相似，由于采用硬件操作系统 (HwOS)，RR 也支持操作系统服务的执行。这些区域对应着精粒度 (FPGA) 或粗粒度(可重配置处理器)架构。

共享着一条或多条物理通信通道的虚拟通信通道，用于控制、数据和配置。控制通道负责把操作系统服务之间的通信分配给执行单元(GPP 和 RR)。数据通道负责传输与环境(器件、传感器)有关的信息和线程之间的信息交换。配置通道负责在配置存储器和执行单元之间传输软件线程(二进制代码)和硬件线程(部分比特流)的配置。

每个处理器都有自己的本地存储器。该存储器负责存储本地数据，在适用的情况下，也可存储软件代码。连接到数据通道的共享存储器可以实现不同处理器上线程间的数据共享。每个执行单元都可以访问共享存储器上存储的数据和软件执行资源程序。每个资源还可以访问配置存储器，以保存和恢复其执行上下文。采用这种结构，可以在任何执行资源上实现任何线程或服务。

在 RR 内部，只有硬件任务需要动态重配置。