支持动态可重构硬件透明编程操作系统的任务调度研究

论文摘要

可重构计算系统是一种软硬件混合系统,通常包括作为主要控制器的微处理器,和作为硬件加速器的可重构硬件模块。它在通用微处理器和专用集成电路之间提供一个集功能灵活和运算快速为一体的平台,被认为是可以满足未来嵌入式应用市场需求的一种极具竞争力的技术解决方案。本文主要研究工作如下:首先,针对所采用的微处理器核和现场可编程门阵列混合可重构计算平台,实现了一个硬件透明的编程模型。该模型能够提供一个类似软件函数的硬件函数给设计人员,它可以屏蔽底层硬件实现的物理细节,使设计人员能简单方便地使用硬件加速器。其次,针对可重构硬件配置时间相对微处理器时钟周期而言过长,导致较大时间开销的问题,提出了一个预配置算法。该算法统计各个硬件函数的调用次数和次序,并结合其运行时间和硬件面积等信息,对将要使用到的硬件函数进行预配置,从而使配置和计算能够重叠处理,缩短系统的整体运行时间,获得更大性能加速。最后,对所实现的硬件透明编程模型和预配置算法进行了实验验证。先通过创建硬件函数,在系统下实现DES加密算法,用来测试硬件透明编程操作系统。实验结果表明所实现的系统能够支持硬件函数正确运行,即能够支持硬件透明编程。接着通过实验验证预配置算法,比较了在不同调用次序下,预配置前后的运行时间。从实验数据可知,通过使用预配置算法,能够有效降低硬件函数的配置开销,并从整体上缩短了运行时间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 可重构计算概述
• 1.1.1 可重构计算的定义
• 1.1.2 可重构计算的发展
• 1.1.3 可重构计算的应用
• 1.1.4 动态可重构计算
• 1.2 可重构计算系统
• 1.2.1 静态可重构系统
• 1.2.2 动态可重构系统
• 1.2.3 不同可重构计算技术比较
• 1.3 本文主要工作
• 1.3.1 研究目的及意义
• 1.3.2 本文组织
• 第2章 可重构计算操作系统研究概述
• 2.1 可重构计算系统的硬件体系结构
• 2.2 国内外研究现状
• 2.2.1 典型的可重构计算平台
• 2.2.2 操作系统的研究
• 2.2.3 减少硬件配置开销的研究
• 2.2.4 国内研究现状
• 2.3 小结
• 第3章 支持动态可重构硬件透明编程操作系统
• 3.1 可重构硬件操作系统的关键技术
• 3.2 与硬件透明编程相关的定义
• 3.3 硬件透明编程的优越性
• 3.4 硬件透明编程模型
• 3.4.1 透明编程模型操作系统的框架
• 3.4.2 透明编程模型操作系统的体系结构
• 3.5 支持动态可重构硬件透明编程操作系统的实现
• 3.5.1 系统平台的构建
• 3.5.2 移植uC/OS-II 操作系统
• 3.6 小结
• 第4章 支持动态可重构透明编程的预配置调度
• 4.1 引言
• 4.2 可重构资源抽象模型
• 4.3 采用预配置策略的任务调度
• 4.3.1 操作系统的内核结构
• 4.3.2 函数调用过程
• 4.3.3 硬件函数预配置
• 4.3.4 更新预配置队列
• 4.4 小结
• 第5章 系统实验与结果分析
• 5.1 实验平台介绍
• 5.2 实验设计
• 5.2.1 测试支持可重构硬件透明编程的操作系统
• 5.2.2 测试预配置
• 5.3 测试结果分析
• 5.3.1 支持可重构硬件透明编程的操作系统测试结果
• 5.3.2 预配置测试结果
• 5.4 结果分析
• 5.5 小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文与参加的项目