一種基于Java的可編程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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ASI

　　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。控制緩存用于對(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(xiě)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(xiě)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：
   
       1． 應(yīng)用程序代碼（包括可對(duì)FPGA進(jìn)行編程的比特流）下載協(xié)議；
   
       2． 用于遠(yuǎn)程管理的系統(tǒng)維護(hù)相關(guān)的協(xié)議；
   
       3． 控制對(duì)嵌入式系統(tǒng)訪問(wèn)權(quán)限的認(rèn)證協(xié)議。
   
       系統(tǒng)管理器包括基于socket連接的客戶端類加載器。遠(yuǎn)端應(yīng)用程序可以下載到本地并按照下面的過(guò)程執(zhí)行：
   
      1. 完成認(rèn)證過(guò)程，系統(tǒng)進(jìn)入管理模式；
   
      2. 下載應(yīng)用程序代碼，完成系統(tǒng)初始化，比如加載FPGA可編程比特流到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元；
   
      3. 執(zhí)行新的應(yīng)用程序。
   
       在該系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，預(yù)先映射硬件方法地址到確定的系統(tǒng)物理存儲(chǔ)區(qū)，目的是為了尋址操作的方便快捷。

由于我們使用了Java軟件平臺(tái)，應(yīng)用程序就無(wú)法直接訪問(wèn)底層的硬件。這就是說(shuō)，運(yùn)行在處理器Java虛擬機(jī)上的應(yīng)用程序不能直接訪問(wèn)映射到FPGA中硬件方法的緩存區(qū)域。為解決這個(gè)問(wèn)題，理論上可以采用下面兩種方法：
   
       1. 修改Java虛擬機(jī)，使其具有對(duì)處理器物理地址的直接訪問(wèn)能力；
   
       2. 單獨(dú)設(shè)計(jì)一種Java本地接口（JNI），使得應(yīng)用程序通過(guò)該接口提供的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件方法映射到的物理地址的訪問(wèn)。
    
       盡管第一種方案的效率較高，并且沒(méi)有引入額外開(kāi)銷，但是修改Java虛擬機(jī)內(nèi)核是相當(dāng)繁雜的工作，同時(shí)也可能會(huì)引起潛在的系統(tǒng)不穩(wěn)定。第二種方案雖然引入了一定的額外開(kāi)銷，但便于移植和實(shí)現(xiàn)。因此，我們采用方案二，在Java虛擬機(jī)和Java本地接口之外又設(shè)計(jì)了一個(gè)本地通信庫(kù)。

　　本地通信庫(kù)API形式如下：
　　
int hwWriteXXX(int addr, XXX p);
　　
int hwWriteArrayXXX(int addr, XXX[] p);
　　
XXX hwReadXXX(int addr);
　　
XXX[] hwReadArrayXXX(int addr);
　　
int hwConfig(int cf_mem_addr, i

　　public static native int setParam(CID hw_cid, object P)

　　{

　　if(type_of_P == XXX)

　　err = hwWriteXXX(hw_cid.addr, (XXX)P);

　　return err;

　　}

　　public static native int getResult(CID hw_cid, object R);

　　public static native int setCMD(CID hw_cid, int cmd);

　　public static native int getStatus(CID hw_cid);

　　public synchronized static native int configHW( CID hw_cid);

　　}

　　在上面代碼中，XXX表示基本的Java數(shù)據(jù)類型如整型（integer）、浮點(diǎn)型(float)、雙精度型(double)等。

  Java應(yīng)用程序通過(guò)類HWInterface提供的方法訪問(wèn)本地庫(kù)。上面的代碼中給出了setParam的具體實(shí)現(xiàn)。其中，CID是包括硬件方法映射到的緩存地址的一個(gè)對(duì)象，對(duì)應(yīng)于每個(gè)硬件方法的CID都是唯一的，因此，該地址和緩存區(qū)大小都是事先已經(jīng)確定了的。但是，由于系統(tǒng)中只有一個(gè)配置控制器，我們無(wú)法同時(shí)就兩個(gè)或多個(gè)硬件方法向FPGA進(jìn)行編程，也可以說(shuō)同一時(shí)刻只能有一個(gè)硬件方法在使用配置控制器。為此，引入了一個(gè)靜態(tài)變量ConfigStatus來(lái)反映配置控制器的當(dāng)前狀態(tài)。所以，訪問(wèn)配置控制器的函數(shù)configHW（）是靜態(tài)的同步的。

　　使用上面給出的接口，則下面這段代碼

　　methodA()

　　{

　　…;

　　int a = objA.m1(2); //SW method

　　int b = objB.m2(3); //HW method

　　int c = a + b;

　　…;

　　}

　　就應(yīng)該寫(xiě)成下面的形式：

　　methodA()

　　{

　　…;

　　1      HWInterface.configHW(cid2); // cid2 is the ID of HW method m2

　　2      Object P = new Integer(3);

　　3      HWInterface.SetParam(cid2,P);

　　4      HWInterface.startHW(cid2);

　　5      int a = objA.m1(2);

　　6      Object R = new Integer();

　　7      While(HWInterface.getResult(cid2, R) == 0)
　　     
; //wait until HW method finished

　　8      HWInterface.getResult(cid2, R);

　　9      int b = ((Integer)R.getValue());

　　10     int c = a + b;
…;

　　}

  在上例中，為了執(zhí)行FPGA中的函數(shù)objB.m2()，首先對(duì)FPGA進(jìn)行編程(Line1)。然后，將參數(shù)拷貝到硬件方法的輸　入緩存中（Line3），并對(duì)硬件方法進(jìn)行初始化（Line4）。最后，采用了一個(gè)循環(huán)函數(shù)持續(xù)檢查硬件方法緩存的狀態(tài)（Line7,8），直至計(jì)算完成，然后拷貝得到結(jié)果（Line9）。

　　3. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

   
       使用ARM710T處理器和Virtex的FPGA，根據(jù)上文給出的設(shè)計(jì)方案，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，兩個(gè)調(diào)試接口，一個(gè)PCI

主機(jī)接口和一個(gè)串行口。并移植了一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)和一個(gè)小巧的Java實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境。如圖4：

　　4. 總結(jié)
   
       本文用一種全新的思路，對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了一種能夠支持多種應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)。利用FPGA的可編程性和Java平臺(tái)良好的移植性能，該平臺(tái)完全能夠滿足我們的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然，也有不足之處，比如對(duì)配置控制器的狀態(tài)的獲取，可以考慮使用中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不是采用本文中的循環(huán)查詢機(jī)制。這將在以后的工作中加以改進(jìn)。
　　
  參考文獻(xiàn)：

　　1. T.Kuhn, W.Rosenstiel, Java Based Modeling and Simulation of Digital Systems on Register Transfer Level, Int. Workshop on System Design Automation, 1998
　　
       2. Sun Microsystems, Inc, Embedded Java Application Environment, http://java.sun.com/products/embeddedjava/
　　
       3. B.Jeong, S.Yoo, S.Lee, Hardware-Software Cosynthesis for Runtime Incrementally Reconfigurable FPGAs