利用Java良好的移植特性的FPGA可編程嵌入式系統(tǒng)

傳統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品只能實(shí)現(xiàn)某種特定的功能，不能滿足用戶可變的豐富多彩的應(yīng)用需求。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種使用Java作為軟件平臺(tái)的基于FPGA的可編程嵌入式系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)多種本地應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的支持。

　　1. 概述

　　傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是找到一種優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)來(lái)完成單一的，特定的功能。對(duì)這樣的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，ASIC和核心處理器是作為特別的構(gòu)件模塊加以考慮的：設(shè)計(jì)者根據(jù)應(yīng)用的要求選擇適當(dāng)?shù)腁SIC，根據(jù)給定的性能要求比如處理器主頻，系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及對(duì)功耗的要求等選用適當(dāng)?shù)奶幚砥鲀?nèi)核。

　　然而，在當(dāng)今移動(dòng)通信已經(jīng)進(jìn)入每個(gè)人的生活的今天，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)比如PDA等已經(jīng)不同于傳統(tǒng)意義上的嵌入式系統(tǒng)了，它們有自己的獨(dú)特特點(diǎn)。客觀需要要求它們能夠支持多種應(yīng)用功能如網(wǎng)頁(yè)瀏覽，播放音頻/視頻文件，以及進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信等。

　　這樣看來(lái)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路因?yàn)橹幻嫦騿我坏膽?yīng)用，無(wú)法滿足多應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的需求。而解決這一問(wèn)題的良好途徑便是向嵌入式系統(tǒng)引入可編程能力，以使得系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的不同要求實(shí)現(xiàn)對(duì)不同應(yīng)用的支持。

　　為了向系統(tǒng)中引入可編程能力，我們考慮在系統(tǒng)中嵌入FPGA，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA具有下列特點(diǎn)，使得它成為我們的首選：

　　1.現(xiàn)在的FPGA的處理能力和邏輯容量已經(jīng)接近于專用ASIC，功耗也比較低，能夠滿足我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求;

　　2.由于FPGA具有的可重編程能力，使用了FPGA的嵌入式系統(tǒng)能夠滿足各種不同的應(yīng)用要求;

　　從嵌入式系統(tǒng)管理的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的支持也是很有必要的，也是很有特色的一個(gè)應(yīng)用，因?yàn)樗沟脧倪h(yuǎn)端服務(wù)器下載新的應(yīng)用程序并在本地運(yùn)行成為可能。為實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)功能的支持，我們采用Java作為軟件平臺(tái)。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/Java">Java運(yùn)行在Java虛擬機(jī)之上，它能夠下載并執(zhí)行新的應(yīng)用程序代碼，并且無(wú)需在下載后重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

　　綜上所述，這個(gè)新的嵌入式系統(tǒng)是基于Java的，有一個(gè)FPGA和標(biāo)準(zhǔn)處理器相連。我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載Java代碼和可以對(duì)FPGA進(jìn)行編程的比特流。該系統(tǒng)也支持對(duì)FPGA的動(dòng)態(tài)重新配置。為了實(shí)現(xiàn)硬件(FPGA)和軟件(Java應(yīng)用程序代碼)之間的通信，又定義了一組本地API，以使得從Java應(yīng)用層能夠訪問(wèn)到底層的硬件。為了調(diào)用這些本地API，采用了Java本地接口(JNI)。在本文中，將一些Java函數(shù)(Java method)用FPGA可編程硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱之為硬件方法(HW method)。

　　2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　實(shí)現(xiàn)一個(gè)Java函數(shù)功能的對(duì)應(yīng)的硬件方法實(shí)現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　輸入緩存和輸出緩存分別用來(lái)接收輸入?yún)?shù)和存儲(chǔ)輸出結(jié)果?？刂凭彺嬗糜趯?duì)硬件方法的控制和檢測(cè)，比如向硬件方法發(fā)出啟動(dòng)指令，檢查其所處的狀態(tài)并判斷操作是否完成等。該模塊中的所有緩存都映射到處理器物理地址空間中，處理器可以使用正常的讀寫指令完成對(duì)這些緩存的訪問(wèn)。

　　圖2是該嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)處理器，一個(gè)FPGA和一個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)單元構(gòu)成。它們之間通過(guò)共享的系統(tǒng)總線連接在一起。

　　當(dāng)處理器向一個(gè)硬件方法發(fā)出讀寫操作指令時(shí)，該硬件方法在其自己的地址解碼器的幫助下向數(shù)據(jù)總線上發(fā)送對(duì)應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)。在這里，我們可以認(rèn)為是處理器發(fā)起的硬件/軟件通信指令，而FPGA則是作為一個(gè)從屬單元做出回應(yīng)。因?yàn)樵谔幚砥靼l(fā)起初始指令后，就由可配置管理器來(lái)負(fù)責(zé)管理FPGA編程。這樣一來(lái)，就實(shí)現(xiàn)了處理器和FPGA的并行運(yùn)行。

　　如圖3所示，我們選擇Java作為軟件平臺(tái)，并且裝載了一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)為Java實(shí)時(shí)應(yīng)用程序提供基本的服務(wù)，比如線程和其它硬件管理等。

　　通過(guò)系統(tǒng)管理器，可以從遠(yuǎn)程服務(wù)器下載Java應(yīng)用程序。系統(tǒng)管理器主要實(shí)現(xiàn)了下面3種協(xié)議：