多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)在通用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)條件下的方法研究

張春麗，王薇

（四川財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院　四川 成都　610101）

多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)在通用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)條件下的方法研究

張春麗，王薇

（四川財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院四川 成都610101）

由于嵌入式系統(tǒng)的規(guī)格和各項(xiàng)功能越來(lái)越強(qiáng)大，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足技術(shù)日益增長(zhǎng)的需要。因此在通用互聯(lián)網(wǎng)的條件下，對(duì)多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，具備了一定的積極意義。本文主要對(duì)目前多核系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述分析，并通過(guò)對(duì)其設(shè)計(jì)方法中涉及的多核技術(shù)、調(diào)度算法、數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)行歸納比較，提升傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的效率，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足。

通用互聯(lián)網(wǎng)；多核處理器；嵌入式系統(tǒng)；系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

隨著嵌入式應(yīng)用的深入，通信行業(yè)對(duì)嵌入式不斷有了新的探索，也對(duì)處理器方面的使用提出了更高的要求，為了避免CPU溫度過(guò)高、功耗過(guò)大的情況出現(xiàn)，現(xiàn)今的嵌入式系統(tǒng)大多數(shù)采用的都是多核結(jié)構(gòu)的處理器，規(guī)模逐漸的增大，功能也越來(lái)越強(qiáng)大，基于互聯(lián)網(wǎng)的多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)成為了通信行業(yè)不斷探索和考慮的問(wèn)題，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足對(duì)使用的需求，需要不斷探索新的方法來(lái)適應(yīng)日益壯大的需求。文中研究的是多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)在互聯(lián)網(wǎng)條件下的方法，并簡(jiǎn)要介紹了一些核心技術(shù)和核心的算法，通過(guò)對(duì)各個(gè)指標(biāo)的評(píng)估，對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)的性能，因此本方法的研究對(duì)現(xiàn)今的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際意義。

1　研究現(xiàn)狀

1.1多核操作系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，多核技術(shù)已經(jīng)成為了最受關(guān)注的話(huà)題和研究方向，在計(jì)算機(jī)通信行業(yè)為性能的提高開(kāi)辟了新的方向，在單核處理器的研究當(dāng)中，最重視的是提高頻率、并行速率等方面的內(nèi)容，在多核體系中，更加關(guān)注的問(wèn)題是核與核之間的協(xié)作［1］，資源的共享、線程的并行度以及任務(wù)的調(diào)度。多核操作系統(tǒng)在現(xiàn)今的系統(tǒng)中具有更大的優(yōu)勢(shì)，也能夠更好的適應(yīng)信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。能夠有效的利用多核技術(shù)，開(kāi)發(fā)適應(yīng)多核平臺(tái)的系統(tǒng)軟件，最大限度的利用多核系統(tǒng)成為現(xiàn)在主要研究和探索的問(wèn)題。

1.2嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀

電子數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生于1964年，自此信息產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，微處理的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)發(fā)生了歷史性的變化，為了區(qū)別于原有的通用計(jì)算機(jī)，嵌入式系統(tǒng)從此誕生。嵌入式系統(tǒng)是完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［2］，隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也獲得了廣闊的發(fā)展空間，數(shù)字時(shí)代為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好的前景［3］，現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于軍事、家用、工業(yè)、商業(yè)辦公等領(lǐng)域，在表現(xiàn)了高的技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，也體現(xiàn)出來(lái)超高的投資和商業(yè)價(jià)值，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和信息化的加速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)必將進(jìn)一步增長(zhǎng)。

1.3研究意義

系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)是一種能夠解決嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性的一種的方法，它可以針對(duì)不同的計(jì)算模型進(jìn)行劃分，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)空間探索和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，因此，多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的方法研究具有很重大的現(xiàn)實(shí)意義，文中主要探討了一些相關(guān)的技術(shù)和算法，目的是在于能夠提升傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的效率，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，目前，單純依靠提高處理器的性能來(lái)提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足，必須探索新的方法，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，這樣才能提高對(duì)互聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)的應(yīng)用效率。

2　多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的方法

2.1總體說(shuō)明

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外研究人員都有自己的理論和設(shè)計(jì)方法，Kienhuis首次提出了Y圖設(shè)計(jì)方法，但是Y圖設(shè)計(jì)方法里還存在著一定的不足，如何能夠?qū)⒂?jì)算、以及通信巧妙的融合起來(lái)，降低吞吐率，提高總線的各項(xiàng)指標(biāo)和水平成為了方法研究的一個(gè)主要內(nèi)容，需要融入一些創(chuàng)新的算法和方式，以能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)和要求［4］。

Artisan庫(kù)，整套的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)包括版圖庫(kù)、版圖庫(kù)、電路邏輯等，整套的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)包括版圖庫(kù)、符號(hào)庫(kù)、電路邏輯庫(kù)等。包含了組合邏輯、時(shí)序邏輯、功能單元和特殊類(lèi)型單元。是集成電路芯片后端設(shè)計(jì)過(guò)程中的基礎(chǔ)部分，標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)用來(lái)為邏輯綜合及布局布線工具提供支持，導(dǎo)出GDSII文件，LEF文件，時(shí)序文件，電路邏輯和符號(hào)庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)中包括了嵌入式系統(tǒng)的部分內(nèi)容，所以能夠滿(mǎn)足建模和通用能力的要求。再通過(guò)探測(cè)點(diǎn)、優(yōu)化收斂算法完成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在通用互聯(lián)網(wǎng)下的多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

2.2設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分是系統(tǒng)之中的分布、執(zhí)行和傳輸，而對(duì)于通用互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō),明確互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)核也具有一定的意義，因?yàn)橥ㄓ没ヂ?lián)網(wǎng)具有一定的異構(gòu)性，包括網(wǎng)絡(luò)差異性以及設(shè)備的差異性，其具有的主要工作原理如圖1所示［4］。

圖1　通用互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)核

在這個(gè)過(guò)程里最重要的是如何根據(jù)總線資源的占用情況獲得相應(yīng)的資源，并且實(shí)現(xiàn)在傳輸過(guò)程中的效率最大化。

3　核心技術(shù)及算法分析

3.1多核技術(shù)

多核體系結(jié)構(gòu)是目前為性能提高、節(jié)能計(jì)算等領(lǐng)域進(jìn)行研究的一項(xiàng)重要技術(shù)。核與核之間的連接方式、任務(wù)調(diào)度策略、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)策略等方面都在不斷地探索研究中逐步成熟。多核技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)研究、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，以及操作系統(tǒng)的核心算法研究都將促進(jìn)計(jì)算機(jī)行業(yè)的革新發(fā)展［1］。

多內(nèi)核是指在一枚處理器中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎，多內(nèi)核也可以看成是一種CPU的集成技術(shù)，雖然集成在一起，但是每一個(gè)CPU在物理上還是單獨(dú)的CPU，與單核處理器比較來(lái)看，雖然在功能上具備了并行處理，性能和效率提高的優(yōu)勢(shì)，但是不免在體系結(jié)構(gòu)、軟件、功耗和安全性設(shè)計(jì)等方面也隨之而來(lái)具有了一定的挑戰(zhàn)，多核具有的優(yōu)勢(shì)是非常大的，首先多核處理器代表了計(jì)算機(jī)通信技術(shù)方面的一次創(chuàng)新，由于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)的全球化［5］，多核處理器滿(mǎn)足了信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其具有不增加功耗而提高性能的優(yōu)勢(shì)；其次，多核處理器的使用能夠使核與核之間的通信提升一定的效率，減少反應(yīng)時(shí)間，降低延遲［6］；再次多核處理器的擴(kuò)展性強(qiáng)，易于優(yōu)化和設(shè)計(jì)，這為嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)提供了非常大的強(qiáng)有力的支持［2］，那么嵌入式系統(tǒng)的多核處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　多核處理器結(jié)構(gòu)

未來(lái)，眾核處理器上將集成數(shù)百個(gè)處理器內(nèi)核，核與核之間的數(shù)據(jù)通信量將非常龐大。多核處理器的多個(gè)核心各自執(zhí)行自己的代碼，不同核間數(shù)據(jù)的共享與同步也需同時(shí)進(jìn)行，核間的通信機(jī)制還用于多個(gè)進(jìn)程或線程之間的數(shù)據(jù)通信以及多個(gè)處理器核之間的同步，對(duì)系統(tǒng)性能的要求更高［6］。

3.2調(diào)度算法

任務(wù)調(diào)度是多核處理器的存在的一個(gè)重要問(wèn)題，全局隊(duì)列調(diào)度和局部隊(duì)列調(diào)度是比較常見(jiàn)的調(diào)度算法。全局隊(duì)列調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)是CPU核心利用率高，而局部調(diào)度算法的優(yōu)點(diǎn)是任務(wù)的切換效率更高［1］。而在實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度中，基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法最為常見(jiàn)，調(diào)度本質(zhì)上來(lái)講是對(duì)資源的分配，而實(shí)時(shí)更加注重的是效率，實(shí)時(shí)調(diào)度的分類(lèi)方式有幾下幾種，如表1［7］所示。

表1　實(shí)時(shí)調(diào)度的分類(lèi)方式

在基本互聯(lián)網(wǎng)的多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，更建議使用改進(jìn)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法NSRL算法，這是嵌入式目前引進(jìn)的相對(duì)科學(xué)合理的調(diào)度算法，他綜合考慮了各種因素對(duì)于優(yōu)先級(jí)的影響，并能夠最大可能的提高了利用效率，減小了資源的浪費(fèi)。NSRL算法是在考慮了周期和重要程度之后，由給出的結(jié)論來(lái)確定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，充分利用系統(tǒng)資源，不但能夠保證大多數(shù)的任務(wù)圓滿(mǎn)的執(zhí)行，而對(duì)于相對(duì)重要的任務(wù)能夠進(jìn)行一個(gè)隨時(shí)的調(diào)度，保證了系統(tǒng)能夠在有限的時(shí)間內(nèi)盡可能多的運(yùn)行任務(wù)。

在充分考慮該算法的可實(shí)施性后，可以知道具體的算法如下［4］：

f（X）=f（X+ΔX）-f（X），那么其中變化了的距離為：

那么可以求出f（X）的梯度是：

綜合考慮限制條件：其中x1，…xn∈（1,N），并且x1不等于xn，那么可得到P的最小值為：

3.3數(shù)字濾波算法

數(shù)字濾波算法的發(fā)展是多元化的，根據(jù)每個(gè)不同的信號(hào)量有不同的數(shù)字濾波算法。但是每個(gè)數(shù)字濾波算都是一樣的，即系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)盡可能地接近信號(hào)量的真實(shí)值［8］。

在多核嵌入式系統(tǒng)之中，信號(hào)和脈沖的處理均由微機(jī)完成，而信號(hào)之中會(huì)存在一些噪聲和干擾因素是事實(shí)，所以這個(gè)時(shí)候就提出了一個(gè)定義，叫預(yù)處理。數(shù)字濾波算法就是一種預(yù)處理的算法，算法通過(guò)一定的程序，從而減少對(duì)正確信號(hào)的干擾，從而提高精度和準(zhǔn)度［8］。數(shù)字濾波有一些基本的算法，比如程序判斷法，中位值濾波法，算術(shù)平均濾波法等。在這些算法之中，比較來(lái)看，最適合的是一階慣性濾波方法，慣性濾波又叫做低通濾波或者滯后濾波，適用于換面變化的隨機(jī)干擾信號(hào)。

一階低通濾波的算法公式為：Y（n）=aX（n）（1-a）Y（n-1）

公式中：a=濾波系數(shù)；X（n）=本次采樣值；Y（n）=本次濾波輸出值；Y（n-1）=上次濾波輸出值，一階低通濾波法得到有效的濾波值，從而使輸入輸出具有反饋?zhàn)饔?。濾波系數(shù)越小，濾波結(jié)果越平穩(wěn)，但是靈敏度就會(huì)相應(yīng)的下降，所以說(shuō)，濾波的平穩(wěn)性和靈敏度不能100%的全部兼顧，找到最大化的濾波系數(shù)就變的尤為重要。

而最大濾波系數(shù)的計(jì)算方法如下：

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)通信行業(yè)的不斷發(fā)展場(chǎng)，消費(fèi)者的要求越來(lái)越高，基于多核技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品應(yīng)該向著高實(shí)時(shí)性、高效性、低功耗等方面發(fā)展。有效地利用多核技術(shù)，適應(yīng)多核技術(shù)的開(kāi)發(fā)，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)者提出了更高的要求，正確地選擇程序執(zhí)行模型、更高效率地共享數(shù)據(jù)和通訊［1］都需作進(jìn)一步研究。目前，多核處理器時(shí)代已經(jīng)是勢(shì)不可擋，基于互聯(lián)網(wǎng)的多核嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法還在研究和探討之中，因此本文在這方面的研究與探索具有一定的實(shí)際價(jià)值。

［1］周磊.基于多核環(huán)境的并行下載系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)［D］.西安:西安理工大學(xué),2010.

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System level design of multi-core embedded in the implementation method under the conditions of the general internet network

ZHANG Chun-li，WANG Wei
（Sichuan Professional College of Finance and Economics，Chengdu 610101,China）

Due to the embedded system's specifications and functions are becoming more and more powerful,the traditional design method has not been able to meet the growing needs of technology.Therefore,it is of some positive significance to study the method of multi-core embedded system level design under the condition of general Internet.This paper mainly presents the analysis of the present situation of multi-core system,embedded system,and through multi-core technology involved in its design process,scheduling algorithms,digital filtering techniques are summarized compare,enhance efficiency of traditional design methods make up the traditional methods deficiencies.

universal Internet；multicore processor；embedded system；system level design

TN402

A

1674－6236（2016）13-0176-03

2015-06-30稿件編號(hào)：201506259

張春麗（1976—），女，陜西漢中人，碩士研究生，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)教學(xué)改革、嵌入式系統(tǒng)。