基于底層實(shí)現(xiàn)和上層邏輯對可重構(gòu)系統(tǒng)任務(wù)間通信進(jìn)行研究

引言

目前，在面向應(yīng)用的嵌入式體系結(jié)構(gòu)的研究中，為了能同時(shí)利用通用處理器（CPU）的靈活性和專用集成電路（ASIC）的高效性，一些研究者將系統(tǒng)中性能要求較高的模塊用FPGA等可編程器件實(shí)現(xiàn)，與通用處理器集成可重構(gòu)片上系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)的．快速發(fā)展，可重構(gòu)技術(shù)開始受到研究者們越來越多的關(guān)注。但是可重構(gòu)計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀是硬件遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于軟件，在可重構(gòu)計(jì)算中需要一個(gè)操作系統(tǒng)來管理新的可重構(gòu)硬件資源，屏蔽硬件細(xì)節(jié)，并向開發(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(xiàn)的任務(wù)模塊抽象為硬件任務(wù)，并納入可重構(gòu)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，由可重構(gòu)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)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(gòu)系統(tǒng)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(xiàn)中將純軟件任務(wù)環(huán)境的虛擬存儲訪問向可重構(gòu)環(huán)境進(jìn)行了擴(kuò)展，以方便應(yīng)用編程和移植；Philip Garcia等人在參考文獻(xiàn)中對硬件任務(wù)接口進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)對硬件任務(wù)的統(tǒng)一封裝。但這些研究僅著眼于底層數(shù)據(jù)的交互，而沒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(xiàn)中對軟／硬件任務(wù)互斥進(jìn)行了研究，但沒有考慮大量數(shù)據(jù)跨越CPU和FPGA邊界的情況。因此，本文在這些研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合底層實(shí)現(xiàn)和上層邏輯對基于統(tǒng)一優(yōu)先級調(diào)度的可重構(gòu)系統(tǒng)中軟／硬件任務(wù)間通信進(jìn)行探討。

1 可重構(gòu)系統(tǒng)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(gòu)硬件資源實(shí)現(xiàn)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(shù)量受限于可重構(gòu)資源的數(shù)量；

②硬件任務(wù)可以實(shí)現(xiàn)微觀并行；

③硬件任務(wù)通過配置可重構(gòu)資源來建立，建立時(shí)間長，不可以忽略不計(jì)；

④由于硬件任務(wù)在運(yùn)行的切換開銷較大，因此不必像軟件任務(wù)那樣進(jìn)行切換來分享CPU，而是可以獨(dú)享相應(yīng)的資源。

為了支持統(tǒng)一優(yōu)先級調(diào)度，軟／硬件任務(wù)可統(tǒng)一表示為Ti（ai，ei，di，ci，wi，hi）。其中，ai表示任務(wù)到達(dá)時(shí)間，ei表示任務(wù)最壞運(yùn)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，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(tǒng)來說，任務(wù)間的通信和同步都是必不可少的。系統(tǒng)中各任務(wù)的運(yùn)行不僅與任務(wù)的應(yīng)用邏輯相關(guān)還與系統(tǒng)的狀態(tài)相關(guān)，而系統(tǒng)的狀態(tài)又由系統(tǒng)中運(yùn)行的多個(gè)任務(wù)決定，因此任務(wù)間的通信往往伴隨著同步和互斥的實(shí)現(xiàn)。為了便于任務(wù)間的通信，從傳統(tǒng)純軟件任務(wù)環(huán)境向可重構(gòu)環(huán)境的擴(kuò)展，將其分為邏輯機(jī)制和物理實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層次。其中邏輯層主要負(fù)責(zé)多個(gè)任務(wù)間同步控制以及數(shù)據(jù)的保護(hù)，與底層的數(shù)據(jù)交互無關(guān)；而物理層則負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)，即邏輯層和物理層以松耦合的方式組合，從而方便了系統(tǒng)的移植和通信機(jī)制的擴(kuò)展。

就邏輯機(jī)制層而言，在傳統(tǒng)的純軟件任務(wù)的環(huán)境中，運(yùn)行于CPU上的多個(gè)軟件任務(wù)具有宏觀上并行微觀上串行的特點(diǎn)，操作系統(tǒng)在對這些任務(wù)的資源共享和數(shù)據(jù)交互的管理上已有信號量、互斥量、消息隊(duì)列等成熟的通信機(jī)制。但在可重構(gòu)系統(tǒng)中，軟件任務(wù)和硬件任務(wù)分別運(yùn)行于CPU和FPGA上，軟／硬件任務(wù)間及硬件任務(wù)間具有微觀并行性，因此需要擴(kuò)展這些通信機(jī)制對硬件任務(wù)的支持，以實(shí)現(xiàn)跨越CPU和FPGA邊界的軟／硬件任務(wù)間通信。這主要表現(xiàn)在針對不同類型的任務(wù)采取不同的后續(xù)措施上，同時(shí)向上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的通信接口。

而對于物理層的實(shí)現(xiàn)，考慮到分布式存儲中消息傳遞方式實(shí)現(xiàn)的通信開銷較大且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，采用圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CPU、FPGA以及系統(tǒng)主存掛接到總線上組成RSOPC。CPU除運(yùn)行一定的用戶軟件任務(wù)之外，還負(fù)責(zé)提供操作系統(tǒng)服務(wù)，包括任務(wù)調(diào)度、資源管理、通信和同步管理等。操作系統(tǒng)通過統(tǒng)一的軟／硬件任務(wù)視圖——任務(wù)控制塊來對各個(gè)任務(wù)進(jìn)行管理。硬件任務(wù)（HWT）運(yùn)行于FPGA上，并由FPGA給每個(gè)硬件任務(wù)提供一個(gè)統(tǒng)一的硬件任務(wù)接口（HTI）供操作系統(tǒng)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(yīng)。而軟件任務(wù)的代碼和數(shù)據(jù)以及硬件任務(wù)的配置數(shù)據(jù)都存放于系統(tǒng)內(nèi)存中，CPU通過片上總線讀取存儲器中的硬件任務(wù)配置數(shù)據(jù)對FPGA進(jìn)行配置。

為了方便應(yīng)用編程和移植，系統(tǒng)主存和FPGA的局部存儲器統(tǒng)一編址，且該地址由基址和偏移兩部分組成?；芬皂摓閱挝?，而偏移不超過頁的大小，即設(shè)系統(tǒng)的地址空間為2n，頁大小為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?jǐn)?shù)據(jù)和軟件任務(wù)的局部數(shù)據(jù)存放于Main_Memory，而硬件任務(wù)的局部數(shù)據(jù)存放于 Local_Memory。在應(yīng)用層，任務(wù)可通過統(tǒng)一的全局地址訪問數(shù)據(jù)，在物理實(shí)現(xiàn)上硬件任務(wù)只能直接訪問Local_Memory的數(shù)據(jù)；而當(dāng)其數(shù)據(jù)需跨越CPU和FPGA邊界時(shí)，則通過如消息隊(duì)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(shù)據(jù)的遷移以及遷移前后被遷移數(shù)據(jù)地址在 Main_Memory范圍和Local_Memmory范圍的映射，地址的映射主要通過設(shè)置HWTI中的地址寄存器來實(shí)現(xiàn)，詳見2．2．2節(jié)。在這種設(shè)計(jì)前提下，進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)不必關(guān)心任務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式。

2 可重構(gòu)系統(tǒng)中消息隊(duì)列通信機(jī)制

消息隊(duì)列是一種靈活的通信機(jī)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)送以指針方式定義的變量或其他任務(wù)。

2．1 μC／OS—II簡介

μC／OS—II是一個(gè)專門為計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的源碼開放的可移植、可固化、多任務(wù)的占先式實(shí)時(shí)內(nèi)核，提供基于靜態(tài)優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，且具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)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(duì)列、消息郵箱和事件標(biāo)志組五種通信機(jī)制。

2．2 消息隊(duì)列通信實(shí)現(xiàn)的支持機(jī)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)問消息隊(duì)列通信的邏輯框圖如圖2所示。軟／硬件任務(wù)分別通過自身和代理調(diào)用0SQ_Request向0S申請消息隊(duì)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(xiàn)有通信邏輯向可重構(gòu)系統(tǒng)的擴(kuò)展，同時(shí)OS提供的通信服務(wù)由軟件實(shí)現(xiàn)相對于硬件實(shí)現(xiàn)更具靈活性。

由圖2可見，硬件任務(wù)在申請消息隊(duì)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(zhí)行過程可描述為：

①硬件任務(wù)將申請的服務(wù)類型及參數(shù)等放入HWTI中的相應(yīng)寄存器；

②硬件任務(wù)向CPU發(fā)送中斷；

③CPU響應(yīng)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(diào)度，調(diào)用系統(tǒng)調(diào)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(xù)執(zhí)行。

HWTI是用戶硬件任務(wù)和操作系統(tǒng)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(shù)寄存器、地址寄存器等。

HWTAgent本質(zhì)上是一個(gè)運(yùn)行于CPU上的軟件任務(wù)，它充當(dāng)了OS與運(yùn)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(tǒng)一優(yōu)先級的調(diào)度，而HWTAgent對應(yīng)代碼段的執(zhí)行則實(shí)現(xiàn)通信物理層功能。 HWTAgent，的設(shè)置同時(shí)也是出于這樣一種考慮：中斷服務(wù)程序應(yīng)執(zhí)行盡可能少的代碼，否則將影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。由于在消息隊(duì)列通信中需要設(shè)置HW— TI中的寄存器，同時(shí)可能涉及大量數(shù)據(jù)的遷移，若將這部分工作由中斷服務(wù)來完成，將會影響對后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務(wù)請求的響應(yīng)。而設(shè)置HWTAgent后，中斷服務(wù)程序只需將請求類型放入TCB然后激活HWTAgent即可，而將其他的任務(wù)交由軟件任務(wù)HWTAgent來完成，從而能盡快響應(yīng)后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務(wù)的請求。

2．2．2 硬件任務(wù)對全局?jǐn)?shù)據(jù)的訪問

由前所述，數(shù)據(jù)訪問的同步和保護(hù)等服務(wù)由運(yùn)行于CPU上的0S提供。當(dāng)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會把消息從Main_Memory遷移到Local_Memory；而當(dāng)數(shù)據(jù)遷移完成后HWTAgent還需完成消息地址的轉(zhuǎn)換，即將硬件任務(wù)當(dāng)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(tǒng)一編址，0S控制著系統(tǒng)的存儲布局信息，因此地址的轉(zhuǎn)換是可以實(shí)現(xiàn)的。

2．3 可重構(gòu)系統(tǒng)中消息隊(duì)列通信的實(shí)現(xiàn)

針對消息隊(duì)列的操作主要有4種，即創(chuàng)建消息隊(duì)列、刪除消息隊(duì)列、申請消息和發(fā)送消息。這里規(guī)定消息的申請不能由中斷服務(wù)子程序調(diào)用，主要是因?yàn)橄⒌纳暾埧赡芤鹑蝿?wù)的阻塞，而消息隊(duì)列的創(chuàng)建和刪除只能由軟件任務(wù)調(diào)用。這也是可以理解的，因?yàn)橛布蝿?wù)一般作為大數(shù)據(jù)處理的加速器使用，而應(yīng)用的控制邏輯仍由軟件任務(wù)實(shí)現(xiàn)。

由1．2的敘述可知，需擴(kuò)展消息隊(duì)列通信對硬件任務(wù)的支持，同時(shí)為了維護(hù)邏輯層與物理層的松耦合性，有關(guān)數(shù)據(jù)遷移和地址轉(zhuǎn)換的部分均由HWTAgent完成。采取如下具體措施，以實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一優(yōu)先級的軟／硬件任務(wù)間消息隊(duì)列通信：

①在有關(guān)消息隊(duì)列的內(nèi)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(tǒng)調(diào)用0SQFindHighPrio（），若消息隊(duì)列當(dāng)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(diào)用OSAgentRdy（）喚醒請求任務(wù)對應(yīng)的代理任務(wù)，OSAgent—Rdy（）定義為 OSAgentRdy（INT8U reqType，INT8U tid，void*param），其中reqType為請求類型，tid為請求任務(wù)的id，param為請求附帶的參數(shù)；

③HWTAgent獲得調(diào)用后根據(jù)情況執(zhí)行后續(xù)操作（針對因申請消息隊(duì)列服務(wù)而喚醒的部分），其執(zhí)行偽代碼如下（記當(dāng)前操作的消息隊(duì)列為Q，發(fā)出申請的任務(wù)為T，具有最高優(yōu)先級的被阻塞任務(wù)為T1）：

以上執(zhí)行過程可描述如下：①判斷申請的服務(wù)類型；②若是發(fā)送消息請求則調(diào)用OSQFindHighPrio（）查找被阻塞的最高優(yōu)先級；③若Q中沒有被阻塞的任務(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(shù)據(jù)遷移；④利用遷移后的消息地址調(diào)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(shù)據(jù)遷移而直接激活該任務(wù)；⑥否則若是獲取消息請求則調(diào)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(shù)據(jù)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(yàn)及分析

本文針對由CPU和FPGA組成的可重構(gòu)系統(tǒng)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(xiàn)了消息隊(duì)列通信。考慮到CPU具有更高的靈活性而 FPGA具有更高的數(shù)據(jù)量處理效率，將硬件任務(wù)作為大數(shù)據(jù)處理的加速器使用，而通信的系統(tǒng)控制部分由運(yùn)行于CPU上的0S負(fù)責(zé)。這一實(shí)現(xiàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制更具靈活性，分層的通信結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)層次更加清晰，方便移植；

②向上層應(yīng)用程序員屏蔽軟硬件底層差異，使得應(yīng)用程序員可以將注意力集中于應(yīng)用邏輯的處理上；

③硬件任務(wù)代理的設(shè)置減輕了中斷服務(wù)程序的壓力，保證了對后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務(wù)請求的響應(yīng)能力。

為了證明HWTAgent能保證后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務(wù)的請求能得到及時(shí)響應(yīng)，現(xiàn)對有HwTAgent和無HWTAgent兩種情況下同級中斷的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行比較。記消息長度為L，使用和不使用HWTAgent時(shí)響應(yīng)時(shí)間分別為t1和t2，單位為CPU時(shí)鐘周期數(shù)。

圖3為使用與不使用HWAgent下對后續(xù)硬件任務(wù)請求的響應(yīng)時(shí)間隨消息長度改變的情況。

由圖3可知，不采用HWTAgent時(shí)最壞情況下的響應(yīng)時(shí)間會隨消息長度的增加而延長；而使用HWTAgent后，響應(yīng)時(shí)間為一固定值，且接近最好情況的響應(yīng)時(shí)間?？梢姡琀WTAgent可有效地保證對后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務(wù)請求的響應(yīng)能力。

結(jié)語

本文對可重構(gòu)系統(tǒng)中任務(wù)間的通信機(jī)制進(jìn)行了探討，提出了一種分層的通信機(jī)制，方便了通信邏輯層的擴(kuò)展以及通信物理層的移植，并在其上實(shí)現(xiàn)了消息隊(duì)列通信，且用模擬實(shí)驗(yàn)證明了其有效性。

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