賽靈思FPGA：面向動態(tài)應用的靈活操作系統(tǒng)

一臺在未知的土地上行進的自動機器人；一部能夠根據(jù)信號強度改變解壓縮格式的視頻解碼器；一套寬帶電子對抗系統(tǒng)；一種用于機動車輛的自適應圖像跟蹤算法……這些都屬于大量涌現(xiàn)的隨環(huán)境瞬變做出快速響應的新興嵌入式或者關鍵任務應用。在過去，靜態(tài)決策最壞情況分配曾為嚴格的實時約束提供了解決方案，而現(xiàn)在靈活性也成為一項要求。法國某研究項目建議使用的解決方案是一種分布在 FPGA 資源上，對軟硬件線程進行管理的操作系統(tǒng)。

我們的目標是設計一種支持新的系統(tǒng)分區(qū)類型的架構，讓軟/硬件組件遵循同一執(zhí)行模型。這就要求高度靈活的可擴展操作系統(tǒng)。

近年來，特別是在嵌入式系統(tǒng)中，隨著片上系統(tǒng) (SoC) 密度的增大，可以通過并行處理任務和數(shù)據(jù)，來增加運算單元，最終滿足設計約束的要求。目前，隨著異構計算內核的加入，這種趨勢仍在繼續(xù)。不過這種技術遇到了難以逾越的復雜性障礙，因為它需要對編程模型進行更高層次的抽象。

為了攻克這些難題，我們建議定義一個統(tǒng)一的執(zhí)行模型，不管線程是映射到硬件還是軟件上都可以使用。該執(zhí)行模型的硬件實現(xiàn)高度依賴動態(tài)可重配置邏輯的使用。全分布式架構結合傳統(tǒng)多核軟件子系統(tǒng)，可同時兼?zhèn)滠?硬件的優(yōu)點。軟件部分很適用于智能化事件控制和決策，而硬件部分則擅長于提高能效、吞吐量以及數(shù)字運算。通過兩者的結合，無論是針對每種特定的應用，還是針對某一應用的某一特定狀態(tài)，我們都能在性能與資源利用率之間實現(xiàn)最佳平衡。

新型 FPGA 平臺具有高度的靈活性和可擴展性，且集成度高，能夠在單個或兩個芯片上集成一個完整的異構動態(tài)運算系統(tǒng)。

自適應硬件在諸如導彈電子和軟件無線電等功耗和系統(tǒng)尺寸有限，同時對環(huán)境高度敏感的應用中非常有用。采用動態(tài)重配置技術，可以在不增加系統(tǒng)功耗或電路板尺寸的情況下，實現(xiàn)支持不同應用模式的專用架構。傳統(tǒng)解決方案側重于控制部分，現(xiàn)在看來似乎已經(jīng)不能有效地滿足執(zhí)行單元的數(shù)量及其異構性要求。只有采用兼具靈活性和可擴展性的分布式方案，才能夠創(chuàng)建出面向未來的架構。

雖然這種技術潛力無限，但對整個業(yè)界來說，動態(tài)重配置的使用仍然有相當大的難度。工程師需要一種清晰明確的設計方式，既能夠充分地發(fā)揮動態(tài)重配置的優(yōu)勢，又不影響應用描述，而且最重要的是，不增加開發(fā)成本。為了將動態(tài)性和高性能結合起來，我們建議采用基于多線程的執(zhí)行模型對異構性進行抽象。開發(fā)人員可以將應用當作線程集來進行編程，而不必考慮線程是在標準處理器還是專用硬件上執(zhí)行。在這種情況下，動態(tài)重配置的作用是進行線程優(yōu)先調度(thread preemption)和上下文切換。由法國國家研究署 (French National Research Agency (ANR)) 贊助的 FOSFOR（靈活的可重配置平臺操作系統(tǒng)）項目就專門負責開發(fā)這種新一代嵌入式、分布式實時操作系統(tǒng)。