基于NIOS II多處理機技術的的網絡數據處理研究

1 SOPC的嵌入式開發技術概述

　　這些年以來，計算機網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）進入了飛速發展時期，這種快速發展給人們帶來了極大便捷，但并且也帶來了數據信息在處理、存儲、傳輸和應用時，容易被竊取和篡改等難題?，F在的網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據安全辦理，有多種方法可用于網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全協議處理，常用的大抵分成ASIC（Application Specific Integrate

　　d Circuit）和可編程方法兩類。ASIC方法是系統完全由硬件來實現，其特征是速度快，本錢高，純軟件方式性能低，存在一定的安全隱患，并且幾乎沒有靈活性和可擴展性，必要很高本錢和較長的設計時間；可編程方法主要有兩種類型：NP（Network Processor）和FPGA（Field Programmable Gate Array），NP提供的是以處理器為中心的可編程本領，而FPGA提供的是以硬件為中心的可編程本領。NP方法應用RISC處理器結構進行網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據包處理。支持這一方法的器件稱為網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）處理器，并且是軟件可編程的。NP包括多個優化的嵌入式RISC CPU，以提供可編程本領和用于通用數據包處理功能。其設計理念是應用硬件電路處理數據包的分類和修改，而應用RISC引擎進行上層辦理。NP中的多處理器引擎配置成不一樣的架構以優化關鍵的路徑延遲，在配置每個RISC引擎時，使得專用的RISC引擎不可以再以高級語言編程，從而迫應用戶應用微代碼/匯編語言，并且削弱了提供靈活性和時間優勢這一網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）處理器面臨的根本基礎，應用起來非常麻煩。對于SOPC（System On Programmable Chip）嵌入式開發技術的FPGA方法，具有高度并行邏輯結構的可編程器件，可提供由用戶自定義的性能和靈活性組合，對任何高速并行數據處理都非常抱負。FPGA內部可以嵌入RISC軟核，應用FPGA內部的硬件可編程特性，和很強的靈活性和可擴展本領，大幅度地提升系統性能。由于FPGA沒有內置的網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）處理功能，用戶可經過在FPGA內增加網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）系統所要求的特性，應用硬件描述語言（HDL）、知識（知識是人類生產和生活經驗的總結）產權核心（IP）和C語言對其進行硬件編程。SOPC為網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全協議的實現提供了一個極靈活的處理方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃）。應用FPGA器件，可以在單片器件內集成范圍廣泛的硬和軟IP核，此中的硬件和固件具有可升級本領。SOPC的嵌可編程本領，縮短了系統開發時間，使單個FPGA處理方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃）更適用于設計需求，可以在整個開發周期中對系統進行優化，并且還為硬件和軟件設計提供了靈活、方便的方法，需要成為今后網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據處理技術發展的一個方向。

　　2 多處理器系統處理方案

　　在嵌入式系統中實現網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）協議、暗碼算法處理的方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃）主要有ASIC、NP、FPGA、純軟件方式等，其系統內部一般為有一個CPU，每一個時刻CPU只能執行一條指令。該系統內部既然可以采用并行技術，如指令流水線、多個ALU單元和專用的協處理器等，但這些并行技術只能提升次序程序的指令執行速度，它無法提供進程級、作業級的并行性。采用多處理器、多指令多數據流（MIMD）系統，可以提供高級并行性，它經過并行處理實現最大的效率與功能，高級并行不但可以是多個處理器并且操縱，并且并且還能夠是多個程序（進程）在同一時間片內執行。在具體的實現上可以是多處理器，多計算機、也可以將多處理器系統作為多計算機系統中的結點，構成一種混合的多處理機。MIMD實現方式與曾經的SISD（單指令流單數據流）實現方式相比，增加了單位時間內的數據流，它經過卸載單個處理器任務的策略來提升系統整體性能，經過根據任務的分類來組織任務執行，將不一樣類型的任務放在不一樣的CPU中執行，任務間的協調是經過共享存儲器中的公共變量或Send/Receive操縱原語來實現。該系統中給每個CPU分配了特定的任務，在這些任務中，大概會存在對特定I/O設備的訪問，降低CPU對每個外部設備的訪問要求。MIMD在硬件架構上更適于用多處理機實現，可以經過共享的存儲器在不一樣的CPU上實現不一樣的專有任務，并且根據系統級任務進行分類，它提供了更高級別的并行性，將相關的任務放在同一CPU內執行，由各CPU之間并行地完成系統級任務，從一定程度上降低了進程間因互相遷移而造成的通信時間，系統級的任務大概要求CPU可以訪問每個外部設備，要求相關任務在每個CPU執行的等效性，要求每個CPU有等同的硬件架構。實現任務的邏輯分組，更高效的發揮處理本領，可以以較低的時鐘頻率和功耗實現較高的性能。多處理機中共享的存儲器經過ICN（互聯網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的））被所有的CPU共享，其ICN的實現方式將決定多處理器的個數及系統性能，當采用總線方式時，其處理器的個數一般不超過4個，當采用交叉開關的方式時可擴展到####個。MIMD系統中多計算機架構為系統級并行提供了方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃），而多處理機為任務級并行提供了方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃），經過并行處理實現最大的效率與功能，并行不但指多個處理器并且操縱，并且指多個程序（進程）在同一時間片內執行。它靈活的方式可以克服SISD系統中CPU大量頻繁的數據操縱所消耗大量CPU等待時間，系統由多個SU（System Unit）單元構成，系統可以并行地處理N個系統級任務，SU提供系統級功能，主要完成網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）協議、暗碼算法處理功能，由TU（Task Unit）任務單元提供比力單一的任務功能，如TU0完成網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）協議，TU1完成暗碼算法?；旌戏绞綖橄到y并行性提供了更多的組合方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃），整個系統可以集成更多的SU單元，SU單元又可以集成更多的TU單元，分層級連的方式擴容了系統的集成本領，極大地提升了系統的并行性。

　　3 對于NiosII的嵌入式網絡

數據處理系統嵌入式系統中網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全實現的技術主要有關到主機安全技術、身份認證、訪問控制、安全傳輸協議、數據加密、防火墻、安全審計等技術，此中網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據傳輸是基礎，數加密技術是核心?，F在網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全協議的實現上大多采用了單處理器系統（無法提供進程級、作業級的并行性）、并且嵌入式系統中系統的時鐘提升空間在時間上日趨飽和，系統在軟件上需求也越來越復雜，應用需求也越來越多，對于單CPU的設計方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃）無法適應這樣日益復雜的必要。所以，引入多處理機成為一種必然。對于NiosII的可擴展多處理器方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃），較好地處理了CPU之間信息高效交互、緩沖區一致性、任務劃分、系統集成度等相關系列難題。NiosII是Nios的第二代產品，其速度更快、資源占用更少，僅保存了32位模式。NiosII是32位RISC嵌入式處理器，其性能可以超過200MIP，由于是軟核處理器，具有較高的靈活性，在嵌入式系統中，可以實現從硬件、軟件、性能、編譯環境等多個方面對處理器，網卡芯片的類型、實現方式等硬件整體架構進行設計。NiosII IDE（集成開發環境）是NiosII嵌入式系統的基本軟件開發工具，所有的軟件開發任務都需要在NiosII IDE下完成，包括編輯、編譯和調試程序。嵌入式系統的軟件開發可分為應用程序開發和驅動程序開發兩部分。NiosII IDE為用戶提供了設備的驅動程序，這便是硬件抽象層（HAL）系統庫，用戶只要應用HAL提供的各種函數就可以編寫應用程序，HAL系統庫在NiosII IDE中創建一個新的工程時，由IDE智能化生成。NiosII IDE是和SOPC Builder緊密相關的，假設硬件配置有了變化，HAL設備驅動配置也會自動隨之變動，從而避免了由于底層硬件的變化而產生的編程錯誤。NiosII IDE也為用戶自動創建和辦理HAL系統庫文件提供了極大的方便，用戶不用創建或拷貝HAL文件，也不用編輯HAL中的任何源代碼。對于NiosII的嵌入式系統開發，必要應用Altera公司的SOPC開發環境，它主要由由三個部分組成組成：IP庫（NiosII處理器，Avlon總線，外圍設備接口等），SOPC Builde開發工具，IDE軟件編譯器。其開發整個過程主要有：首先確定系統的需求，如應用系統必要的計算機性能、帶寬和吞吐量、接口類型和是否必要多線程的軟件等。然后進行硬件設計，應用Altera提供的IP庫，在SOPC Builde中添加必要的功能模塊，生成一個NiosII系統模塊，最后在Quartus中編譯生成軟件，完成軟件設計。在NiosII IDE軟件開發環境中，用戶并且還能夠根據必要編寫自定義設備的操縱流程、操縱系統的移植、相應的應用代碼等。

　　4 結束語與展望

　　筆者針對嵌入式系統對網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據傳輸、網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）安全協議實現方上，對SOPC技術進行了闡述，提出了多處理器系統處理方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃）和了對于NiosII的軟、硬聯合的雙核的網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據處理處理方案（進行工作的具體計劃或對某一問題制定的規劃）。這種對于SOPC技術、NIOS－II多處理機的網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據處理方法將成為今后網絡（網絡就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的）數據處理技術發展的方向。