面向密码应用的可重构系统中任务管理与调度研究

论文摘要

可重构系统由于其在处理性能、灵活性和成本方面的巨大优势，逐渐成为当今嵌入式系统和并行计算研究的热点和主题。与此同时，密码应用范围在不断扩大，算法复杂性不断提高，可重构计算技术已经成为解决以计算密集型和数据密集型为特征的密码算法应用处理的有效手段。在面向密码应用的可重构系统中，既有运行在CPU上的软件任务，又有运行在可重构器件上的硬件任务，如何对各类性质不同的任务进行统筹兼顾的有效管理和合理调度是需要重点解决的问题，因此，本文致力于其中任务管理和任务调度两个方面进行深入研究。在任务管理方面，提出了软件任务/混合任务的划分模式，并且对eCos适当拓展，设计了三大机制，重点解决了任务之间的协同实现、重构控制以及同步通信等关键问题。在传统的系统中，可重构器件类似于ASIC被当作硬件加速器，由用户采用设备管理的方式进行使用，操作系统仅仅提供驱动支持，没有对可重构器件及运行其上的任务进行有效管理，这种方式不利于可重构计算资源的高效利用，也限制了上层应用程序的快速开发。本文的重构控制机制使系统能够在合适的时机、合适的位置，对合适的任务进行重构；混合任务实现机制使系统能够灵活地实现任务，为上层应用的开发提供了透明的编程模型；同步和通信机制使系统能够保持多任务之间的协同高效运行。最终的AES算法实现示例验证了各项机制的有效性和可用性。在任务调度方面，提出了层次调度模型和面向密码应用领域的RTMF配置调度算法。配置调度作为缩减重构开销的有效途径，得到了广泛的关注，但将具体的配置调度算法与操作系统调度器相结合的研究并不多，本文提出的层次调度模型将eCos的多级队列调度器与配置调度有机统一起来，综合考虑了密码应用的多目标调度需求。又通过深入分析密码算法的特点，提出了一种面向领域的RTMF配置调度算法，结合了配置预取和配置cache的优势，能在保证系统具有较高使用频率的任务不被替换的基础上将下一步最有可能调度的任务提前加载到可重构器件上。文中通过AES加密实验对RTMF算法与在可重构计算中普遍使用的按需调度算法进行了比较，实验结果表明，RTMF优于其它方法，能有效地缩减重构开销，优化系统性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 支持动态可重构计算的操作系统研究现状
• 1.2.2 可重构计算的任务调度研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的组织结构
• 第二章 相关知识介绍
• 2.1 可重构计算概述
• 2.1.1 可重构计算的定义
• 2.1.2 可重构计算系统的耦合结构
• 2.1.3 动态可重构计算
• 2.1.4 动态部分重构计算的优势
• 2.2 面向密码应用的可重构系统架构
• 2.2.1 分层架构
• 2.2.2 可重构计算平台
• 2.2.3 任务管理和任务调度
• 2.3 eCos 概述
• 2.3.1 eCos 的起源与历史
• 2.3.2 eCos 的优点
• 2.4 本章小结
• 第三章 可重构系统中任务管理机制设计
• 3.1 软件任务/混合任务划分模式
• 3.1.1 软/硬件任务划分模式
• 3.1.2 软件任务/混合任务划分模式的提出
• 3.1.3 混合任务潜在的性能提升
• 3.2 支持可重构计算的 eCos 拓展机制概览
• 3.2.1 相关机制设计的目的
• 3.2.2 拓展机制概览
• 3.3 重构控制机制
• 3.3.1 混合任务的重构模型
• 3.3.2 重构控制机制的流程
• 3.4 混合任务实现机制
• 3.4.1 混合任务的软件实现
• 3.4.2 混合任务的硬件实现
• 3.4.3 两种实现方式的统一
• 3.4.4 混合任务的终止和消除
• 3.5 同步与通信机制
• 3.5.1 代理线程与软件线程的同步和通信
• 3.5.2 代理线程与硬件任务的同步和通信
• 3.6 本章小结
• 第四章 面向密码应用的多目标任务调度研究
• 4.1 密码算法及其任务调度需求分析
• 4.1.1 密码算法分析
• 4.1.2 密码任务的调度需求分析
• 4.2 调度问题描述
• 4.2.1 描述模型
• 4.2.2 目标平台抽象描述
• 4.2.3 任务描述
• 4.3 调度器模型
• 4.3.1 多级队列调度器
• 4.3.2 层次调度模型架构
• 4.4 RTMF 配置调度算法
• 4.4.1 算法原理
• 4.4.2 算法设计
• 4.4.3 算法分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 密码应用实例与仿真实验分析
• 5.1 密码应用实例
• 5.1.1 AES 加密应用及其任务划分
• 5.1.2 基于 eCos4RC 的 AES 加密处理过程
• 5.2 实验平台
• 5.2.1 仿真环境
• 5.2.2 实验对比方案
• 5.3 实验内容与结果分析
• Length 对系统性能的影响'>5.3.1 HES_Length 对系统性能的影响
• 5.3.2 RT 对系统性能的影响
• 5.3.3 RPU 数量对系统性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢