引言

目前，在面向應用的嵌入式體系結構的研究中，為了能同時利用通用處理器（CPU）的靈活性和專用集成電路（ASIC）的高效性，一些研究者將系統(tǒng)中性能要求較高的模塊用FPGA等可編程器件實現(xiàn)，與通用處理器集成可重構片上系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術的．快速發(fā)展，可重構技術開始受到研究者們越來越多的關注。但是可重構計算的發(fā)展現(xiàn)狀是硬件遠遠領先于軟件，在可重構計算中需要一個操作系統(tǒng)來管理新的可重構硬件資源，屏蔽硬件細節(jié)，并向開發(fā)人員提供高層次的編程模型。因此一些研究者將由可編程器件實現(xiàn)的任務模塊抽象為硬件任務，并納入可重構實時操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，由可重構實時操作系統(tǒng)負責任務調度、系統(tǒng)資源管理以及任務間的通信和同步等工作。

迄今，對可重構系統(tǒng)任務間通信的研究取得了一些成果。例如，Miljan Vuletic等人在參考文獻中將純軟件任務環(huán)境的虛擬存儲訪問向可重構環(huán)境進行了擴展，以方便應用編程和移植；Philip Garcia等人在參考文獻中對硬件任務接口進行了研究，以實現(xiàn)對硬件任務的統(tǒng)一封裝。但這些研究僅著眼于底層數(shù)據(jù)的交互，而沒有考慮通信中伴隨的上層任務間的同步和互斥邏輯；另外，張磊等人在參考文獻中對軟／硬件任務互斥進行了研究，但沒有考慮大量數(shù)據(jù)跨越CPU和FPGA邊界的情況。因此，本文在這些研究成果的基礎上，結合底層實現(xiàn)和上層邏輯對基于統(tǒng)一優(yōu)先級調度的可重構系統(tǒng)中軟／硬件任務間通信進行探討。

1 可重構系統(tǒng)中軟／硬件任務間通信分析

1．1 相關概念

硬件任務，是指由可重構硬件資源實現(xiàn)的功能模塊，相對于軟件任務具有以下特點：

①硬件任務的數(shù)量受限于可重構資源的數(shù)量；

②硬件任務可以實現(xiàn)微觀并行；

③硬件任務通過配置可重構資源來建立，建立時間長，不可以忽略不計；

④由于硬件任務在運行的切換開銷較大，因此不必像軟件任務那樣進行切換來分享CPU，而是可以獨享相應的資源。

為了支持統(tǒng)一優(yōu)先級調度，軟／硬件任務可統(tǒng)一表示為Ti（ai，ei，di，ci，wi，hi）。其中，ai表示任務到達時間，ei表示任務最壞運行時間，di表示任務完成截止時間，ci表示任務配置時間，wi和hi表示硬件任務的寬度和高度。由于硬件任務和軟件任務具有不同的特點，從而可將其中任務間的通信和同步分為3類，即軟件任務（SWT）之間、軟／硬件任務之間以及硬件任務（HWT）之間。

1．2 分層的通信模型

對于任何一個操作系統(tǒng)來說，任務間的通信和同步都是必不可少的。系統(tǒng)中各任務的運行不僅與任務的應用邏輯相關還與系統(tǒng)的狀態(tài)相關，而系統(tǒng)的狀態(tài)又由系統(tǒng)中運行的多個任務決定，因此任務間的通信往往伴隨著同步和互斥的實現(xiàn)。為了便于任務間的通信，從傳統(tǒng)純軟件任務環(huán)境向可重構環(huán)境的擴展，將其分為邏輯機制和物理實現(xiàn)兩個層次。其中邏輯層主要負責多個任務間同步控制以及數(shù)據(jù)的保護，與底層的數(shù)據(jù)交互無關；而物理層則負責底層數(shù)據(jù)交互的實現(xiàn)，即邏輯層和物理層以松耦合的方式組合，從而方便了系統(tǒng)的移植和通信機制的擴展。

就邏輯機制層而言，在傳統(tǒng)的純軟件任務的環(huán)境中，運行于CPU上的多個軟件任務具有宏觀上并行微觀上串行的特點，操作系統(tǒng)在對這些任務的資源共享和數(shù)據(jù)交互的管理上已有信號量、互斥量、消息隊列等成熟的通信機制。但在可重構系統(tǒng)中，軟件任務和硬件任務分別運行于CPU和FPGA上，軟／硬件任務間及硬件任務間具有微觀并行性，因此需要擴展這些通信機制對硬件任務的支持，以實現(xiàn)跨越CPU和FPGA邊界的軟／硬件任務間通信。這主要表現(xiàn)在針對不同類型的任務采取不同的后續(xù)措施上，同時向上層應用提供統(tǒng)一的通信接口。

而對于物理層的實現(xiàn)，考慮到分布式存儲中消息傳遞方式實現(xiàn)的通信開銷較大且實現(xiàn)復雜，采用圖1所示的系統(tǒng)結構。CPU、FPGA以及系統(tǒng)主存掛接到總線上組成RSOPC。CPU除運行一定的用戶軟件任務之外，還負責提供操作系統(tǒng)服務，包括任務調度、資源管理、通信和同步管理等。操作系統(tǒng)通過統(tǒng)一的軟／硬件任務視圖——任務控制塊來對各個任務進行管理。硬件任務（HWT）運行于FPGA上，并由FPGA給每個硬件任務提供一個統(tǒng)一的硬件任務接口（HTI）供操作系統(tǒng)和硬件任務的交互，同時每個硬件任務在CPU上有代理任務與其對應。而軟件任務的代碼和數(shù)據(jù)以及硬件任務的配置數(shù)據(jù)都存放于系統(tǒng)內存中，CPU通過片上總線讀取存儲器中的硬件任務配置數(shù)據(jù)對FPGA進行配置。

為了方便應用編程和移植，系統(tǒng)主存和FPGA的局部存儲器統(tǒng)一編址，且該地址由基址和偏移兩部分組成。基址以頁為單位，而偏移不超過頁的大小，即設系統(tǒng)的地址空間為2n，頁大小為2k，則基址的取值范圍為［O，2n／2k］，而偏移的取值范圍為［O，2k］。Main_Memory和 Local_Memory分配有不同的基址，在編譯器的支持下，全局數(shù)據(jù)和軟件任務的局部數(shù)據(jù)存放于Main_Memory，而硬件任務的局部數(shù)據(jù)存放于 Local_Memory。在應用層，任務可通過統(tǒng)一的全局地址訪問數(shù)據(jù)，在物理實現(xiàn)上硬件任務只能直接訪問Local_Memory的數(shù)據(jù)；而當其數(shù)據(jù)需跨越CPU和FPGA邊界時，則通過如消息隊列服務等固定的幾種方式向OS發(fā)出申請，并由0S控制數(shù)據(jù)的遷移以及遷移前后被遷移數(shù)據(jù)地址在 Main_Memory范圍和Local_Memmory范圍的映射，地址的映射主要通過設置HWTI中的地址寄存器來實現(xiàn)，詳見2．2．2節(jié)。在這種設計前提下，進行應用設計時不必關心任務的實現(xiàn)方式。

2 可重構系統(tǒng)中消息隊列通信機制

消息隊列是一種靈活的通信機制，它允許一個任務或中斷服務子程序向另一個任務發(fā)送以指針方式定義的變量或其他任務。

2．1 μC／OS—II簡介

μC／OS—II是一個專門為計算機嵌入式應用設計的源碼開放的可移植、可固化、多任務的占先式實時內核，提供基于靜態(tài)優(yōu)先級的搶占式調度，且具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。在任務通信方面，μC／OS—II提供了信號量、互斥量、消息隊列、消息郵箱和事件標志組五種通信機制。

2．2 消息隊列通信實現(xiàn)的支持機制

2．2．1 硬件任務接口與硬件任務代理

軟／硬件任務問消息隊列通信的邏輯框圖如圖2所示。軟／硬件任務分別通過自身和代理調用0SQ_Request向0S申請消息隊列服務，使得在通信邏輯層 OS可將軟／硬件任務同等看待。這方便了現(xiàn)有通信邏輯向可重構系統(tǒng)的擴展，同時OS提供的通信服務由軟件實現(xiàn)相對于硬件實現(xiàn)更具靈活性。

由圖2可見，硬件任務在申請消息隊列服務時需要硬件任務接口（HWTI）、硬件任務代理（HWTAgent）和中斷的支持。一次典型的消息申請消息服務的執(zhí)行過程可描述為：

①硬件任務將申請的服務類型及參數(shù)等放入HWTI中的相應寄存器；

②硬件任務向CPU發(fā)送中斷；

③CPU響應中斷，在中斷服務程序里喚醒硬件任務代理；

④硬件任務代理獲得調度，調用系統(tǒng)調用以取得消息，將消息在Local Memory的地址存入HWTI中的地址寄存器中并喚醒硬件任務；

⑤硬件任務繼續(xù)執(zhí)行。

HWTI是用戶硬件任務和操作系統(tǒng)之間的橋梁，由一組寄存器組成，主要包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器、參數(shù)寄存器、地址寄存器等。

HWTAgent本質上是一個運行于CPU上的軟件任務，它充當了OS與運行于FPGA上的硬件任務的橋梁。HWTAgent的存在使得在通信邏輯層OS 可以將硬件任務和軟件任務同等看待，從而方便了軟／硬件任務統(tǒng)一優(yōu)先級的調度，而HWTAgent對應代碼段的執(zhí)行則實現(xiàn)通信物理層功能。 HWTAgent，的設置同時也是出于這樣一種考慮：中斷服務程序應執(zhí)行盡可能少的代碼，否則將影響系統(tǒng)的實時性。由于在消息隊列通信中需要設置HW— TI中的寄存器，同時可能涉及大量數(shù)據(jù)的遷移，若將這部分工作由中斷服務來完成，將會影響對后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務請求的響應。而設置HWTAgent后，中斷服務程序只需將請求類型放入TCB然后激活HWTAgent即可，而將其他的任務交由軟件任務HWTAgent來完成，從而能盡快響應后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務的請求。

2．2．2 硬件任務對全局數(shù)據(jù)的訪問

由前所述，數(shù)據(jù)訪問的同步和保護等服務由運行于CPU上的0S提供。當硬件任務向OS申請消息時，若分配得的消息存在于Main_Memory上，則 HWTAgent會把消息從Main_Memory遷移到Local_Memory；而當數(shù)據(jù)遷移完成后HWTAgent還需完成消息地址的轉換，即將硬件任務當前可用的消息在Local_Memory中的地址存入HWTI中的地址寄存器中。由于Main_Memory和Local_Memory統(tǒng)一編址，0S控制著系統(tǒng)的存儲布局信息，因此地址的轉換是可以實現(xiàn)的。

2．3 可重構系統(tǒng)中消息隊列通信的實現(xiàn)

針對消息隊列的操作主要有4種，即創(chuàng)建消息隊列、刪除消息隊列、申請消息和發(fā)送消息。這里規(guī)定消息的申請不能由中斷服務子程序調用，主要是因為消息的申請可能引起任務的阻塞，而消息隊列的創(chuàng)建和刪除只能由軟件任務調用。這也是可以理解的，因為硬件任務一般作為大數(shù)據(jù)處理的加速器使用，而應用的控制邏輯仍由軟件任務實現(xiàn)。

由1．2的敘述可知，需擴展消息隊列通信對硬件任務的支持，同時為了維護邏輯層與物理層的松耦合性，有關數(shù)據(jù)遷移和地址轉換的部分均由HWTAgent完成。采取如下具體措施，以實現(xiàn)基于統(tǒng)一優(yōu)先級的軟／硬件任務間消息隊列通信：

①在有關消息隊列的內核部分增加一個查找被阻塞任務中最高優(yōu)先級的系統(tǒng)調用0SQFindHighPrio（），若消息隊列當前有被阻塞任務則返回其中具有最高優(yōu)先級任務的優(yōu)先級，否則返回一1；

②針對硬件任務服務申請的中斷服務程序只需調用OSAgentRdy（）喚醒請求任務對應的代理任務，OSAgent—Rdy（）定義為 OSAgentRdy（INT8U reqType，INT8U tid，void*param），其中reqType為請求類型，tid為請求任務的id，param為請求附帶的參數(shù)；

③HWTAgent獲得調用后根據(jù)情況執(zhí)行后續(xù)操作（針對因申請消息隊列服務而喚醒的部分），其執(zhí)行偽代碼如下（記當前操作的消息隊列為Q，發(fā)出申請的任務為T，具有最高優(yōu)先級的被阻塞任務為T1）：

以上執(zhí)行過程可描述如下：①判斷申請的服務類型；②若是發(fā)送消息請求則調用OSQFindHighPrio（）查找被阻塞的最高優(yōu)先級；③若Q中沒有被阻塞的任務或被阻塞任務中具有最高優(yōu)先級的任務是SWT，則需進行數(shù)據(jù)遷移；④利用遷移后的消息地址調用OSQPost；⑤否則Q中具有最高優(yōu)先級的被阻塞任務為HWT，不需數(shù)據(jù)遷移而直接激活該任務；⑥否則若是獲取消息請求則調用OSQPend（）以獲取消息；⑦若獲得的消息存放于 Main_Memory，則需進行數(shù)據(jù)遷移；⑧由于獲得消息而激活發(fā)送請求的硬件任務T。

3 模擬實驗及分析

本文針對由CPU和FPGA組成的可重構系統(tǒng)提出了一種分層的軟／硬件任務間通信方式，并在其上實現(xiàn)了消息隊列通信?？紤]到CPU具有更高的靈活性而 FPGA具有更高的數(shù)據(jù)量處理效率，將硬件任務作為大數(shù)據(jù)處理的加速器使用，而通信的系統(tǒng)控制部分由運行于CPU上的0S負責。這一實現(xiàn)具有以下優(yōu)點：

①由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)控制更具靈活性，分層的通信結構使系統(tǒng)層次更加清晰，方便移植；

②向上層應用程序員屏蔽軟硬件底層差異，使得應用程序員可以將注意力集中于應用邏輯的處理上；

③硬件任務代理的設置減輕了中斷服務程序的壓力，保證了對后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務請求的響應能力。

為了證明HWTAgent能保證后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務的請求能得到及時響應，現(xiàn)對有HwTAgent和無HWTAgent兩種情況下同級中斷的響應時間進行比較。記消息長度為L，使用和不使用HWTAgent時響應時間分別為t1和t2，單位為CPU時鐘周期數(shù)。

圖3為使用與不使用HWAgent下對后續(xù)硬件任務請求的響應時間隨消息長度改變的情況。

由圖3可知，不采用HWTAgent時最壞情況下的響應時間會隨消息長度的增加而延長；而使用HWTAgent后，響應時間為一固定值，且接近最好情況的響應時間?？梢?，HWTAgent可有效地保證對后續(xù)高優(yōu)先級硬件任務請求的響應能力。

結語

本文對可重構系統(tǒng)中任務間的通信機制進行了探討，提出了一種分層的通信機制，方便了通信邏輯層的擴展以及通信物理層的移植，并在其上實現(xiàn)了消息隊列通信，且用模擬實驗證明了其有效性。

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