支持可重构混成体系结构的操作系统研究

论文摘要

嵌入式系统在当今社会已无处不在，例如大家同常生活中用到的PDA、MP3、手机和在专门的场合应用的网络节点系统、医疗系统、穿戴电脑系统等，它一般由计算部件、外围设备、操作系统以及用户应用四个部分组成。可选的计算部件有专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）、指令集处理器ISP（Instruction Set Processor）和现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable GateArray）。FPGA是一种可重构硬件，计算性能高且易于编程，非常适合同时具有高计算复杂度和多变工作集的应用。在嵌入式系统的复杂度、性能和上市时间等要求不断提高的今天，FPGA器件的应用范围正在变得越来越广泛。 随着半导体技术的发展，基于SRAM存储器件的FPGA容量已经达数百万门，且具有动态部分可重构功能，从而可随时加载、执行和删除独立的硬件逻辑模块。因此，FPGA已经成为一种可以动态分配的计算资源。由FPGA和ISP构成的可重构混成系统具有计算性能高、灵活性强、适用范围广等优点，目前已成为国际上研究的热点。 按照传统的设计观念，FPGA被视为硬件加速器，由用户直接管理和使用。而操作系统仅提供一些驱动作为支持。这种方式的设计难度很高，而且由于忽略了FPGA的可重构特性以及硬件逻辑模块间的潜在并行性，效率很低。为了提高FPGA的利用率、简化开发流程和提高系统的性能，操作系统必须对可重构器件提供更有效的支持。本文对可重构资源的管理和共享问题进行了深入的研究，提出了KVIT（Keeping the Vertexes Information of Tasks）布局算法、QFOAC（Quantifying Fragments by Occupied Area Concatenation）碎片量化方法和MGS（Minimum Gap Scheduling）调度算法。针对已有混成系统运行模型的缺陷，提出并设计了基于服务体／执行流模型SEFM（Servant & Exe-Flow Model）的，面向可重构混成体系结构的操作系统SEF-OSHRSfSEF Operating System for Hybrid Reconfigurable Systems)，实现了该操作系统的原型系统。 在OSHRS中，布局算法必须在保证布局质量的基础上，尽量减少布局开销。KVIT布局算法就是为解决这个问题而提出的。该算法尝试将新到达的硬件任务放置在已布局硬件任务的顶点处，并通过对可重构芯片内部计算单元进

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 FPGA技术的发展趋势
• 1.2 FPGA技术在商用领域的优势
• 1.3 FPGA的基本技术
• 1.3.1 编程技术
• 1.3.2 逻辑模块
• 1.3.3 路由资源
• 1.4 动态可重构混成系统与支持可重构混成体系结构的操作系统OSHRS
• 1.4.1 动态可重构
• 1.4.2 混成系统
• 1.4.3 OSHRS
• 1.5 本论文的工作
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 拟解决的关键问题
• 1.5.3 论文的组织结构
• 第2章 动态可重构资源的布局问题
• 2.1 概述
• 2.2 模型的描述和基本概念
• 2.3 相关工作
• 2.3.1 Bazargan的布局算法
• 2.3.1.1 基于非重叠空闲矩形的布局算法
• 2.3.1.2 基于重叠空闲矩形的算法
• 2.3.2 Bazargan算法的改进
• 2.3.3 Edmonds算法的改进
• 2.4 一种保持任务顶点的布局算法KVIT
• 2.4.1 数据结构
• 2.4.2 KVIT布局算法描述
• 2.4.3 基于被占用区域连续度的代价函数
• 2.5 仿真实验及结果分析
• 2.5.1 仿真实验环境与实验方案
• 2.5.2 实验结果及性能分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 可重构芯片上的碎片量化与整理
• 3.1 概述
• 3.2 基本概念
• 3.3 一种基于被占用区域连续度的碎片量化方法QFOAC
• 3.3.1 描述
• 3.3.2 代价函数
• 3.3.3 碎片整理
• 3.4 实验及结果分析
• 3.4.1 仿真实验环境与实验方案
• 3.4.2 实验结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 硬件逻辑模块的调度问题
• 4.1 概述
• 4.2 基本概念
• 4.2.1 任务模型
• 4.2.2 调度算法
• 4.3 相关工作
• 4.4 一种模块间隙最小化的调度算法MGS
• 4.4.1 MGS实时调度算法
• 4.4.1.1 数据结构
• 4.4.1.2 算法描述
• 4.4.1.3 代价函数
• 4.4.2 MGS非实时调度算法
• 4.4.3 MGS算法向二维资源模型的扩展
• 4.5 仿真实验及结果分析
• 4.5.1 仿真实验环境与实验方案
• 4.5.2 实验结果及性能分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于服务体/执行流模型SEFM的OSHRS的设计与实现
• 5.1 概述
• 5.2 相关工作
• 5.3 传统的操作系统构造方式
• 5.3.1 进程/线程运行模型PTM
• 5.3.1.1 单（宏）内核模型
• 5.3.1.2 微内核模型
• 5.3.2 PTM的优缺点
• 5.3.3 基于SEFM的操作系统
• 5.3.3.1 SEFM的基本抽象
• 5.3.3.2 通讯机制
• 5.3.3.3 消息
• 5.3.3.4 消息传递接口
• 5.3.3.5 系统并发模型
• 5.4 基于SEFM构造OSHRS的优势
• 5.5 SEF-OSHRS的设计与实现
• 5.5.1 硬服务体与软服务体
• 5.5.2 统一软件接口USI和统一硬件接口UHI
• 5.5.3 通讯机制
• 5.5.4 硬服务体的加载/卸载
• 5.5.5 调度和布局
• 5.5.6 碎片整理
• 5.5.7 硬服务体的换出
• 5.5.8 SEF-OSHRS的总体逻辑结构和工作方式
• 5.6 本章小结
• 第6章 SEF-OSHRS的测试与性能分析
• 6.1 实验平台
• 6.2 实验方法与测试工具
• 6.3 测试过程与测试结果
• 6.3.1 SEF-OSHRS基础参数测试
• 6.3.1.1 服务体间通讯的性能测试
• 6.3.1.2 服务体加载延迟时间测试
• 6.3.2 应用实例测试
• 6.3.2.1 Anubis加密算法
• 6.3.2.2 有限长冲击响应滤波器FIR
• 6.4 测试结果分析
• 第7章 全文总结
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 进一步的工作
• 参考文献
• 在论文研究期间撰写的学术论文