硬件任务抽象及软硬件任务通信机制的研究与实现

摘要

随着现在计算机技术的快速发展,传统的处理器架构和解决方案已经不再能够满足未来应用的需求,因此基于多处理器及多核系统的研究已成为了人们研究的热门方向。近年来,随着FPGA器件的快速发展,基于该器件的可重配置技术和理论研究的不断突破为复杂嵌入式应用提供了一条新的实现途经。
　　 FPGA的动态可重配置技术的出现,使得CPU以外的计算资源的地位得到了根本改善。在传统设计中,CPU以外的计算资源都是被视为系统中的I/O设备或者协处理器来管理。现在可重配置计算器件可以成为系统中与CPU并列的计算资源,这样一来可以更好地发挥硬件在解决计算密集型任务时的优势。然而,传统的设计思想限制了可重配置技术的广泛应用。为此,国内外的相关研究人员提出了采用任务模型,即硬件任务的方法管理FPGA,以克服FPGA作为系统计算资源时的诸多局限。
　　 本文分别从硬件任务在Linux操作系统中运行的原理设计和具体功能实现这两个方面对在Linux系统中实现完整的硬件任务机制进行了深入研究,比较了不同设计方案的优势与不足,提出了将硬件任务进行抽象的思想。本研究根据对硬件任务抽象的需要将硬件任务分成弱耦合的两个部分:硬件任务的软件部分——代理进程和硬件部分—一在FPGA上实现硬件任务功能的硬件电路。同时在硬件任务的内核抽象、硬件任务加载、软硬件任务通信、硬件任务终结等方面进行了内核级的研究。在实现示例中,通过对Linux操作系统内核的修改,使得软硬件任务能够通信并且在用户空间上达到了透明操作硬件任务的目的。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 知识简介及问题定义

1.3 国内外相关研究介绍

1.4 论文主要工作

1.5 论文结构

第2章 课题相关的技术及研究

2.I CPU/FPGA混合平台的原型系统的基本原理

2.2 软件任务与硬件任务模型概述

2.3 Linux操作系统和内核简介

2.4 本章小结

第3章 硬件任务抽象的研究

3.1 系统整体模型设计

3.1.1 可重配置硬件的组织

3.1.2 整体模型设计

3.2 代理进程

3.2.1 代理进程的引入

3.2.2 代理进程的设计

3.3 硬件任务接口设计

3.3.1 系统接口

3.3.2 硬件任务接口

3.3.3 通信接口

3.4 硬件任务的运行状态

3.5 硬件任务终结

3.6 本章小结

第4章 软硬件任务通信机制的研究

4.1 进程间通信机制

4.2 软硬件任务通信机制的选择

4.3 中断下半部机制的选择

4.4 软件任务与硬件任务间的通信

4.4.1 硬件任务向软件任务通信

4.4.2 软件任务向硬件任务通信

4.5 硬件任务间的通信

4.6 本章小结

第5章 硬件任务抽象及软硬件任务通信机制的实现

5.1 硬件任务的加载

5.1.1 代理进程的创建

5.1.2 调度器下载硬件任务到FPGA

5.2 中断与硬件任务的绑定

5.3 软硬件任务间通信的实现

5.3.1 硬件任务向软件任务通信实现

5.3.2 软件任务向硬件任务通信实现

5.4 硬件任务终结的实现

5.5 系统用户接口的实现

5.5.1 系统调用

5.5.2 /proc文件系统

5.6 本章小结

第6章 实验结果及应用实例

6.1 硬件任务抽象实现

6.1.1 生成HWT可执行文件

6.1.2 硬件任务加载过程演示

6.2 软硬件任务通信实验结果演示

6.3 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 未来的研究

参考文献

致谢

研究生阶段的科研情况