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引言 目前，在面向應用的嵌入式體系結構的研究中，為了能同時(shí)利用通用處理器(CPU)的靈活性和專(zhuān)用集成電路(ASIC)的高效性，一些研究者將系統中性能要求較高的模塊用FPGA等可編程器件實(shí)現，與通用處理器集成可重構片上系統。隨著(zhù)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)技術(shù)的．快速發(fā)展，可重構技術(shù)開(kāi)始受到研究者們越來(lái)越多的關(guān)注。但是可重構計算的發(fā)展現狀是硬件遠遠領(lǐng)先于軟件，在可重構計算中需要一個(gè)操作系統來(lái)管理新的可重構硬件資源，屏蔽硬件細節，并向開(kāi)發(fā)人員提供高層次的編程模型。因此一些研究者將由可編程器件實(shí)現的任務(wù)模塊抽象為硬件任務(wù)，并納入可重構實(shí)時(shí)操作系統的統一管理，由可重構實(shí)時(shí)操作系統負責任務(wù)調度、系統資源管理以及任務(wù)間的通信和同步等工作。 迄今，對可重構系統任務(wù)間通信的研究取得了一些成果。例如，Miljan Vuletic等人在參考文獻中將純軟件任務(wù)環(huán)境的虛擬存儲訪(fǎng)問(wèn)向可重構環(huán)境進(jìn)行了擴展，以方便應用編程和移植；Philip Garcia等人在參考文獻中對硬件任務(wù)接口進(jìn)行了研究，以實(shí)現對硬件任務(wù)的統一封裝。但這些研究?jì)H著(zhù)眼于底層數據的交互，而沒(méi)有考慮通信中伴隨的上層任務(wù)間的同步和互斥邏輯；另外，張磊等人在參考文獻中對軟／硬件任務(wù)互斥進(jìn)行了研究，但沒(méi)有考慮大量數據跨越CPU和FPGA邊界的情況。因此，本文在這些研究成果的基礎上，結合底層實(shí)現和上層邏輯對基于統一優(yōu)先級調度的可重構系統中軟／硬件任務(wù)間通信進(jìn)行探討。 1 可重構系統中軟／硬件任務(wù)間通信分析 1．1 相關(guān)概念 硬件任務(wù)，是指由可重構硬件資源實(shí)現的功能模塊，相對于軟件任務(wù)具有以下特點(diǎn)： ①硬件任務(wù)的數量受限于可重構資源的數量； ②硬件任務(wù)可以實(shí)現微觀(guān)并行； ③硬件任務(wù)通過(guò)配置可重構資源來(lái)建立，建立時(shí)間長(cháng)，不可以忽略不計； ④由于硬件任務(wù)在運行的切換開(kāi)銷(xiāo)較大，因此不必像軟件任務(wù)那樣進(jìn)行切換來(lái)分享CPU，而是可以獨享相應的資源。 為了支持統一優(yōu)先級調度，軟／硬件任務(wù)可統一表示為T(mén)i(ai，ei，di，ci，wi，hi)。其中，ai表示任務(wù)到達時(shí)間，ei表示任務(wù)最壞運行時(shí)間，di表示任務(wù)完成截止時(shí)間，ci表示任務(wù)配置時(shí)間，wi和hi表示硬件任務(wù)的寬度和高度。由于硬件任務(wù)和軟件任務(wù)具有不同的特點(diǎn)，從而可將其中任務(wù)間的通信和同步分為3類(lèi)，即軟件任務(wù)(SWT)之間、軟／硬件任務(wù)之間以及硬件任務(wù)(HWT)之間。 1．2 分層的通信模型 對于任何一個(gè)操作系統來(lái)說(shuō)，任務(wù)間的通信和同步都是必不可少的。系統中各任務(wù)的運行不僅與任務(wù)的應用邏輯相關(guān)還與系統的狀態(tài)相關(guān)，而系統的狀態(tài)又由系統中運行的多個(gè)任務(wù)決定，因此任務(wù)間的通信往往伴隨著(zhù)同步和互斥的實(shí)現。為了便于任務(wù)間的通信，從傳統純軟件任務(wù)環(huán)境向可重構環(huán)境的擴展，將其分為邏輯機制和物理實(shí)現兩個(gè)層次。其中邏輯層主要負責多個(gè)任務(wù)間同步控制以及數據的保護，與底層的數據交互無(wú)關(guān)；而物理層則負責底層數據交互的實(shí)現，即邏輯層和物理層以松耦合的方式組合，從而方便了系統的移植和通信機制的擴展。 就邏輯機制層而言，在傳統的純軟件任務(wù)的環(huán)境中，運行于CPU上的多個(gè)軟件任務(wù)具有宏觀(guān)上并行微觀(guān)上串行的特點(diǎn)，操作系統在對這些任務(wù)的資源共享和數據交互的管理上已有信號量、互斥量、消息隊列等成熟的通信機制。但在可重構系統中，軟件任務(wù)和硬件任務(wù)分別運行于CPU和FPGA上，軟／硬件任務(wù)間及硬件任務(wù)間具有微觀(guān)并行性，因此需要擴展這些通信機制對硬件任務(wù)的支持，以實(shí)現跨越CPU和FPGA邊界的軟／硬件任務(wù)間通信。這主要表現在針對不同類(lèi)型的任務(wù)采取不同的后續措施上，同時(shí)向上層應用提供統一的通信接口。 而對于物理層的實(shí)現，考慮到分布式存儲中消息傳遞方式實(shí)現的通信開(kāi)銷(xiāo)較大且實(shí)現復雜，采用圖1所示的系統結構。CPU、FPGA以及系統主存掛接到總線(xiàn)上組成RSOPC。CPU除運行一定的用戶(hù)軟件任務(wù)之外，還負責提供操作系統服務(wù)，包括任務(wù)調度、資源管理、通信和同步管理等。操作系統通過(guò)統一的軟／硬件任務(wù)視圖——任務(wù)控制塊來(lái)對各個(gè)任務(wù)進(jìn)行管理。硬件任務(wù)(HWT)運行于FPGA上，并由FPGA給每個(gè)硬件任務(wù)提供一個(gè)統一的硬件任務(wù)接口(HTI)供操作系統和硬件任務(wù)的交互，同時(shí)每個(gè)硬件任務(wù)在CPU上有代理任務(wù)與其對應。而軟件任務(wù)的代碼和數據以及硬件任務(wù)的配置數據都存放于系統內存中，CPU通過(guò)片上總線(xiàn)讀取存儲器中的硬件任務(wù)配置數據對FPGA進(jìn)行配置。 
為了方便應用編程和移植，系統主存和FPGA的局部存儲器統一編址，且該地址由基址和偏移兩部分組成�；芬皂�(yè)為單位，而偏移不超過(guò)頁(yè)的大小，即設系統的地址空間為2n，頁(yè)大小為2k，則基址的取值范圍為[O，2n／2k]，而偏移的取值范圍為[O，2k]。Main_Memory和 Local_Memory分配有不同的基址，在編譯器的支持下，全局數據和軟件任務(wù)的局部數據存放于Main_Memory，而硬件任務(wù)的局部數據存放于 Local_Memory。在應用層，任務(wù)可通過(guò)統一的全局地址訪(fǎng)問(wèn)數據，在物理實(shí)現上硬件任務(wù)只能直接訪(fǎng)問(wèn)Local_Memory的數據；而當其數據需跨越CPU和FPGA邊界時(shí)，則通過(guò)如消息隊列服務(wù)等固定的幾種方式向OS發(fā)出申請，并由0S控制數據的遷移以及遷移前后被遷移數據地址在 Main_Memory范圍和Local_Memmory范圍的映射，地址的映射主要通過(guò)設置HWTI中的地址寄存器來(lái)實(shí)現，詳見(jiàn)2．2．2節。在這種設計前提下，進(jìn)行應用設計時(shí)不必關(guān)心任務(wù)的實(shí)現方式。 2 可重構系統中消息隊列通信機制 消息隊列是一種靈活的通信機制，它允許一個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)子程序向另一個(gè)任務(wù)發(fā)送以指針?lè )绞蕉x的變量或其他任務(wù)。 2．1 μC／OS—II簡(jiǎn)介 μC／OS—II是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為計算機嵌入式應用設計的源碼開(kāi)放的可移植、可固化、多任務(wù)的占先式實(shí)時(shí)內核，提供基于靜態(tài)優(yōu)先級的搶占式調度，且具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴展性強等特點(diǎn)。在任務(wù)通信方面，μC／OS—II提供了信號量、互斥量、消息隊列、消息郵箱和事件標志組五種通信機制。 2．2 消息隊列通信實(shí)現的支持機制 2．2．1 硬件任務(wù)接口與硬件任務(wù)代理 軟／硬件任務(wù)問(wèn)消息隊列通信的邏輯框圖如圖2所示。軟／硬件任務(wù)分別通過(guò)自身和代理調用0SQ_Request向0S申請消息隊列服務(wù)，使得在通信邏輯層 OS可將軟／硬件任務(wù)同等看待。這方便了現有通信邏輯向可重構系統的擴展，同時(shí)OS提供的通信服務(wù)由軟件實(shí)現相對于硬件實(shí)現更具靈活性。
由圖2可見(jiàn)，硬件任務(wù)在申請消息隊列服務(wù)時(shí)需要硬件任務(wù)接口(HWTI)、硬件任務(wù)代理(HWTAgent)和中斷的支持。一次典型的消息申請消息服務(wù)的執行過(guò)程可描述為： ①硬件任務(wù)將申請的服務(wù)類(lèi)型及參數等放入HWTI中的相應寄存器； ②硬件任務(wù)向CPU發(fā)送中斷； ③CPU響應中斷，在中斷服務(wù)程序里喚醒硬件任務(wù)代理； ④硬件任務(wù)代理獲得調度，調用系統調用以取得消息，將消息在Local Memory的地址存入HWTI中的地址寄存器中并喚醒硬件任務(wù)； ⑤硬件任務(wù)繼續執行。 HWTI是用戶(hù)硬件任務(wù)和操作系統之間的橋梁，由一組寄存器組成，主要包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器、參數寄存器、地址寄存器等。 HWTAgent本質(zhì)上是一個(gè)運行于CPU上的軟件任務(wù)，它充當了OS與運行于FPGA上的硬件任務(wù)的橋梁。HWTAgent的存在使得在通信邏輯層OS 可以將硬件任務(wù)和軟件任務(wù)同等看待，從而方便了軟／硬件任務(wù)統一優(yōu)先級的調度，而HWTAgent對應代碼段的執行則實(shí)現通信物理層功能。 HWTAgent，的設置同時(shí)也是出于這樣一種考慮：中斷服務(wù)程序應執行盡可能少的代碼，否則將影響系統的實(shí)時(shí)性。由于在消息隊列通信中需要設置HW— TI中的寄存器，同時(shí)可能涉及大量數據的遷移，若將這部分工作由中斷服務(wù)來(lái)完成，將會(huì )影響對后續高優(yōu)先級硬件任務(wù)請求的響應。而設置HWTAgent后，中斷服務(wù)程序只需將請求類(lèi)型放入TCB然后激活HWTAgent即可，而將其他的任務(wù)交由軟件任務(wù)HWTAgent來(lái)完成，從而能盡快響應后續高優(yōu)先級硬件任務(wù)的請求。 2．2．2 硬件任務(wù)對全局數據的訪(fǎng)問(wèn) 由前所述，數據訪(fǎng)問(wèn)的同步和保護等服務(wù)由運行于CPU上的0S提供。當硬件任務(wù)向OS申請消息時(shí)，若分配得的消息存在于Main_Memory上，則 HWTAgent會(huì )把消息從Main_Memory遷移到Local_Memory；而當數據遷移完成后HWTAgent還需完成消息地址的轉換，即將硬件任務(wù)當前可用的消息在Local_Memory中的地址存入HWTI中的地址寄存器中。由于Main_Memory和Local_Memory統一編址，0S控制著(zhù)系統的存儲布局信息，因此地址的轉換是可以實(shí)現的。 2．3 可重構系統中消息隊列通信的實(shí)現 針對消息隊列的操作主要有4種，即創(chuàng )建消息隊列、刪除消息隊列、申請消息和發(fā)送消息。這里規定消息的申請不能由中斷服務(wù)子程序調用，主要是因為消息的申請可能引起任務(wù)的阻塞，而消息隊列的創(chuàng )建和刪除只能由軟件任務(wù)調用。這也是可以理解的，因為硬件任務(wù)一般作為大數據處理的加速器使用，而應用的控制邏輯仍由軟件任務(wù)實(shí)現。 由1．2的敘述可知，需擴展消息隊列通信對硬件任務(wù)的支持，同時(shí)為了維護邏輯層與物理層的松耦合性，有關(guān)數據遷移和地址轉換的部分均由HWTAgent完成。采取如下具體措施，以實(shí)現基于統一優(yōu)先級的軟／硬件任務(wù)間消息隊列通信： ①在有關(guān)消息隊列的內核部分增加一個(gè)查找被阻塞任務(wù)中最高優(yōu)先級的系統調用0SQFindHighPrio()，若消息隊列當前有被阻塞任務(wù)則返回其中具有最高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級，否則返回一1； ②針對硬件任務(wù)服務(wù)申請的中斷服務(wù)程序只需調用OSAgentRdy()喚醒請求任務(wù)對應的代理任務(wù)，OSAgent—Rdy()定義為 OSAgentRdy(INT8U reqType，INT8U tid，void*param)，其中reqType為請求類(lèi)型，tid為請求任務(wù)的id，param為請求附帶的參數； ③HWTAgent獲得調用后根據情況執行后續操作(針對因申請消息隊列服務(wù)而喚醒的部分)，其執行偽代碼如下(記當前操作的消息隊列為Q，發(fā)出申請的任務(wù)為T(mén)，具有最高優(yōu)先級的被阻塞任務(wù)為T(mén)1)：
以上執行過(guò)程可描述如下：①判斷申請的服務(wù)類(lèi)型；②若是發(fā)送消息請求則調用OSQFindHighPrio()查找被阻塞的最高優(yōu)先級；③若Q中沒(méi)有被阻塞的任務(wù)或被阻塞任務(wù)中具有最高優(yōu)先級的任務(wù)是SWT，則需進(jìn)行數據遷移；④利用遷移后的消息地址調用OSQPost；⑤否則Q中具有最高優(yōu)先級的被阻塞任務(wù)為HWT，不需數據遷移而直接激活該任務(wù)；⑥否則若是獲取消息請求則調用OSQPend()以獲取消息；⑦若獲得的消息存放于 Main_Memory，則需進(jìn)行數據遷移；⑧由于獲得消息而激活發(fā)送請求的硬件任務(wù)T。 3 模擬實(shí)驗及分析 本文針對由CPU和FPGA組成的可重構系統提出了一種分層的軟／硬件任務(wù)間通信方式，并在其上實(shí)現了消息隊列通信�？紤]到CPU具有更高的靈活性而 FPGA具有更高的數據量處理效率，將硬件任務(wù)作為大數據處理的加速器使用，而通信的系統控制部分由運行于CPU上的0S負責。這一實(shí)現具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①由軟件實(shí)現系統控制更具靈活性，分層的通信結構使系統層次更加清晰，方便移植； ②向上層應用程序員屏蔽軟硬件底層差異，使得應用程序員可以將注意力集中于應用邏輯的處理上； ③硬件任務(wù)代理的設置減輕了中斷服務(wù)程序的壓力，保證了對后續高優(yōu)先級硬件任務(wù)請求的響應能力。 為了證明HWTAgent能保證后續高優(yōu)先級硬件任務(wù)的請求能得到及時(shí)響應，現對有HwTAgent和無(wú)HWTAgent兩種情況下同級中斷的響應時(shí)間進(jìn)行比較。記消息長(cháng)度為L(cháng)，使用和不使用HWTAgent時(shí)響應時(shí)間分別為t1和t2，單位為CPU時(shí)鐘周期數。 圖3為使用與不使用HWAgent下對后續硬件任務(wù)請求的響應時(shí)間隨消息長(cháng)度改變的情況。
由圖3可知，不采用HWTAgent時(shí)最壞情況下的響應時(shí)間會(huì )隨消息長(cháng)度的增加而延長(cháng)；而使用HWTAgent后，響應時(shí)間為一固定值，且接近最好情況的響應時(shí)間�？梢�(jiàn)，HWTAgent可有效地保證對后續高優(yōu)先級硬件任務(wù)請求的響應能力。 結語(yǔ) 本文對可重構系統中任務(wù)間的通信機制進(jìn)行了探討，提出了一種分層的通信機制，方便了通信邏輯層的擴展以及通信物理層的移植，并在其上實(shí)現了消息隊列通信，且用模擬實(shí)驗證明了其有效性。 參考文獻 1. 周學(xué)功 可重構嵌入式系統樣機平臺與操作系統研究 2007 2. Vuletid M.Pozzi L.Ienne P Seamless Hardware-Software Integration in Reconfigurable Computing Systems 2005(2) 3. Garcia P.Compton K A Reconfigurable Hardware Interface for a Modern Computing System 2007 4. 張磊.郭兵.張傳武.沈艷 基于統一調度的RTOS軟/硬件任務(wù)資源競爭機制研究與設計 [期刊論文] -計算機應用2007(11) 5. 周博.王石記.邱衛東.彭澄廉 SHUM- UCOS:基于統一多任務(wù)模型可重構系統的實(shí)時(shí)操作系統 [期刊論文] -計算機學(xué)報2006(2) 6. Labrosses Jean J.邵貝貝 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II 2003 作者：曾蜀芳,郭兵 (四川大學(xué)) 沈艷 (電子科技大學(xué)) 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (4) |
