基于FPGA的硬件任务动态可重配置操作系统的设计与实现

摘要

随着计算机技术的不断进步，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，多处理器及多核系统已成为了人们不得不选择的方向。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的不断突破又为复杂嵌入式应用提供了一条新的实现途经。
　　 传统上，CPU以外的计算资源都是被作为系统中的I/O设备或者协处理器来管理的。基于FPGA的动态可重配置技术的出现，使得可重配置计算器件可以成为系统中与CPU并列的计算资源，并能更好的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先后提出了采用硬件任务模型管理FPGA的方法，以克服FPGA作为系统计算资源的应用局限。
　　 本文分别从系统原理和实现手段这两个方面对设计软、硬件任务混合平台操作系统进行了深入研究，比较了不同设计方案的优势与不足，提出了支持硬件任务动态调度的操作系统设计方案。出于兼容性和可扩展性的考虑，本研究分别选择了Xilinx Virtex系列芯片和Linux操作系统作为硬件平台和软件平台，前者是世界最大的FPGA芯片制造商，后者是最广泛使用的类Unix操作系统。在实现示例中，通过对Linux操作系统的修改，使得在用户空间上达到了透明操作硬件任务的目的，并且可以实现硬件任务的在线可重配置。
　　 论文最后部分对整体思路进行了总结，指出本文系统所取得的进展，同时指出了所开发系统的不足之处，并对可能的改进方向和下一步的研究进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 问题定义

1.3 国内外相关系统介绍

1.3 论文结构

第二章 可重配置计算平台的相关研究

2.1 可重配置平台的层次结构与分类

2.2 可重配置的相关技术

2.2.1 可重配置的粒度和方法

2.2.2 FPGA的可重配置实现原理

2.3 二维空间上的计算分布

2.4 本章小结

第三章 硬件任务动态可重配置操作系统的设计

3.1 可重配置硬件平台的选择

3.2 系统抽象模型

3.2.1 可重配置硬件的组织

3.3 硬件进程的内核抽象

3.3.1 系统接口

3.3.1 硬件任务软件部分

3.3.2 硬件接口

3.3.3 硬件任务的生命周期

3.3.4 内核辅助软件部分

3.4 硬件进程的调度

3.4.1 系统调度策略的选择

3.4.2 硬件任务调度机制

3.5 硬件任务的通信

3.5.1 通信机制的选择

3.5.2 软件任务与硬件任务间的通信

3.5.3 硬件任务间的通信

3.6 本章小结

第四章 支持动态可重配置的操作系统实现

4.1 硬件任务的可重配置技术

4.1.1 FPGA的动态局部可重配置技术

4.1.2 硬件任务中间状态的保持

4.2 操作系统上硬件任务的功能实现

4.2.1 进程的加载

4.2.2 中断与硬件任务的绑定

4.2.3 辅助软件代码部分

4.2.4 进程通信的实现

4.3 系统的用户接口

4.3.1 系统调用

4.3.2 硬件任务库函数和用户命令

4.3.3 /proc文件系统

4.4 可重配置系统的移植

4.5 基于软硬件任务混合系统的应用开发流程

4.6 本章小结

第五章 系统测试及应用实例

5.1 在Xilinx Virtex 4上的硬件任务实现

5.2 混合系统硬件任务运行示例

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 未来的研究

参考文献

致谢

研究生阶段的科研情况