嵌入式可重构计算系统的设计技术研究
作为一种全新的计算模式,可重构计算已成为当前的研究热点之一。然而,在系统设计支持方面,随着嵌入式可重构计算系统复杂度的不断增加,越来越需要从系统级进行设计,以提高设计效率;而在运行环境支持方面,由于传统操作系统不能适应新的可重构系统应用需求,如何通过操作系统屏蔽底层平台实现细节,向开发人员提供软/硬件统一的编程模型,并有效管理可重构计算资源以提高利用率,也是可重构计算需要解决的主要问题之一。 针对上述问题,本文对嵌入式可重构计算系统的设计技术进行了探讨,主要研究内容包括: 1.结合可重构计算特点,以UML和SystemC为系统级设计语言,提出模型驱动的系统级设计方法。该方法利用UML对系统结构和重构行为进行了描述;设计了面向SystemC的UMLProfile扩展;在MDA(模型驱动架构)指导下初步实现了从UML模型到SystemC可执行框架代码的转换,保持了模型和实现的连贯性,有利于嵌入式可重构计算系统的快速开发和验证。 2.从软、硬件任务不同的语义和实现方式出发,设计了一种基于统一多任务模型的可重构操作系统框架。以逐层抽象的方式,使操作系统具备硬件任务和可重构计算资源管理能力;通过硬件桩任务实现任务间通信与同步,简化了硬件任务的设计实现,并完全兼容现有的软件任务间通信机制。该设计使操作系统能够有效管理硬件任务及可重构计算资源,为可重构计算平台提供良好的运行环境支持。 3.面向数据流驱动应用,提出了与Pthread兼容的软/硬件统一多线程编程模型SHUMDR。通过硬件线程接口设计、操作系统内核扩展,实现了支持动态可重构的操作系统原型,并提供了一个轻量级的统一线程库。实验测试结果表明,SHUMDR的管理开销和空间资源占用率较小,通过配置位流缓冲和配置Cache可明显改善硬件线程创建时间较长的状况,线程间通信与同步机制简单有效。该模型在探索编程灵活性的同时兼顾了硬件线程的实现效率,能够较好地支持可重构应用的开发。 4.针对可重构计算平台上的负载可分应用,结合SHUMDR对其性能进行分析与预测。根据底层平台结构和应用的特点,采用不同的负载分配方式,重点讨论包含多个可重构处理单元(Reconfigurable Processing Unit,RPU)计算平台上的负载调度问题。分析结果表明:当通信与配置不完全重叠时,存在最大可用RPU数和优化的RPU数,可得出优化的调度方案及应用处理时间。
可重构计算;系统级设计;操作系统;编程模型;性能分析
复旦大学
博士
计算机系统结构
彭澄廉
2009
中文
TP368.1;TP311.1
112
2014-05-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）