可擴展動態重配置的新型FPGA平臺設計

　　構建硬件操作系統的主要原因出于性能和靈活性方面的考慮。該操作系統本可以采用純軟件或純硬件。由于每次調用操作系統原語都會涉及開銷，即線程等待時間，操作系統速度越快，浪費的時間就越少。為了評估開銷，我們必須就硬件操作系統的時序和原始的軟件操作系統 RTEMS 做一比較。

　　硬件本地運行只需要數十個周期，而為了訪問共享存儲器，硬件全局運行需要數百個周期。經我們評估，與軟件操作系統的運行結果相比，本地創建-刪除操作速度提高了 60 倍，其它操作速度也提高了約 50 倍。

　　硬件操作系統的資源使用(表 1)相差較大，這主要取決于激活的服務的數量及功能，比如我們為每項服務選擇對象(信號量、線程等)的數量。我們使用賽靈思 Virtex-5 FX100T 來實現系統。表中列出了硬件操作系統使用的資源。余下的資源可用于實現其它系統組件及硬件線程自身。

　　表1 硬件操作系統 (Virtex-5 FX100) 的資源使用情況

　　對于網絡性能，在 DRAFT 連接 8 個32 位字寬、緩沖深度為 4 個字，頻率為100MHz 的組件的配置下，片上網絡可使每個連接的組件的最大數據速率高達 1,040Mbps。網絡的拓撲和路由協議保證不會出現爭用和擁堵現象。在兩個互連的組件間，至少一直保留著一條通信路徑。數據通過 DRAFT 的平均時延接近 45 個時鐘周期(450 納秒)，這符合許多應用的要求。

　　5 結語

　　我們提議采用一種創新型的操作系統，可以在由多個處理器和動態可重配置硬件 IP 模塊構成的異構多核架構上提供基于多線程的同構執行模型。硬件操作系統負責管理硬件線程，一般用于線程創建和抑制，以及信息量和消息隊列服務。在通信方面，我們建議改進用于數據交換的胖樹拓撲片上網絡、用于硬件線程管理的專用總線以及為實現操作系統間同步的通信層。