動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

吳文慶

摘 要 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)是一種新型的計(jì)算機(jī)重整技術(shù)，其不僅能夠有效的降低嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功耗和體積，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)作便捷，還能夠依據(jù)計(jì)算機(jī)任務(wù)的不同實(shí)現(xiàn)不同的功能，滿足人們多樣的任務(wù)需求。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟硬件資源都能夠得到充分利用，提升嵌入式計(jì)算機(jī)的運(yùn)作水平。因此，本文將對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)基本概理進(jìn)行簡要的論述，以動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用為主要內(nèi)容，探討動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用類型的不同，為未來嵌入式計(jì)算機(jī)改革和發(fā)展提供可參考意見，促進(jìn)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù) 計(jì)算機(jī) 應(yīng)用

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于計(jì)算機(jī)的要求越來越高，則一般的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不僅不能夠滿足人們多樣的任務(wù)需求，還會(huì)由于長時(shí)間運(yùn)作而損壞計(jì)算機(jī)機(jī)體，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)功耗、體積不斷增大。在這種情況下，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在嵌入式計(jì)算機(jī)開始被使用，而如何運(yùn)用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)提升計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行水平成為工作人員在開發(fā)時(shí)重點(diǎn)思考的問題。而本文將對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在嵌入式計(jì)算機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行簡要的分析，下面進(jìn)行詳細(xì)的探討。

1 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)分析

動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)能夠?qū)τ?jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行改變，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處于正常運(yùn)作狀態(tài)時(shí)，通過對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)局部電路數(shù)據(jù)的重新配置，從而達(dá)到重新配置電子系統(tǒng)中可編程邏輯器件的目的。按照技術(shù)的重構(gòu)方式可以將動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)分為兩種形式：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)和靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)。雖然動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)依據(jù)重構(gòu)方式被分成兩種，但在實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，兩者是相互存在而不是各不相存，即，在計(jì)算機(jī)運(yùn)行中進(jìn)行系統(tǒng)配置就是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)，而系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)運(yùn)行前進(jìn)行配置，則為靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)。

動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在應(yīng)用的過程中，首先便是對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行全部或是局部的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，并產(chǎn)生和記憶此時(shí)的數(shù)字邏輯，以便節(jié)省計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)區(qū)域資源，強(qiáng)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)運(yùn)作的可靠性和便捷性。此外，依照前文所說，技術(shù)實(shí)現(xiàn)面積是不同的，因此，根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的面積不同，將技術(shù)分為局部重構(gòu)和全局重構(gòu)。局部重構(gòu)是兩種重構(gòu)中較為簡單的一種，即為局部重新配置重構(gòu)系統(tǒng)，并不影響其他運(yùn)作狀態(tài)，不僅減少重構(gòu)數(shù)據(jù)和范圍，還減短了技術(shù)整體運(yùn)作周期，而全局重構(gòu)則是全部系統(tǒng)、器件逐一進(jìn)行全過程的重構(gòu)。

動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠在嵌入式計(jì)算機(jī)軟件的基礎(chǔ)上，用硬件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)作，不僅保持了傳統(tǒng)的基于硬件方法的執(zhí)行速度，還融入了計(jì)算機(jī)軟件的靈活性。此外，其體系結(jié)構(gòu)可變的特點(diǎn)也適合實(shí)際應(yīng)用中人們對(duì)于計(jì)算機(jī)的多元化需求。而隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在未來還存在巨大的潛力。

2 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用類型

2.1 部分可重構(gòu)

部分可重構(gòu)方法，顧名思義就是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的部分系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和重構(gòu)，即在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)部分硬件資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，而對(duì)其他部分正常運(yùn)行不造成任何影響。在部分可重構(gòu)運(yùn)行時(shí)，其會(huì)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為兩部分：可重構(gòu)區(qū)域和靜態(tài)區(qū)域，這兩部區(qū)域分別管理和連接不同計(jì)算機(jī)功能?？芍貥?gòu)區(qū)域負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)部分系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)重構(gòu)配置，而靜態(tài)區(qū)域則是負(fù)責(zé)部分系統(tǒng)中關(guān)鍵性任務(wù)和基本組件，簡單來說，就是在可重構(gòu)區(qū)域中含有大量的運(yùn)行文件，而靜態(tài)區(qū)域就是開啟可重構(gòu)區(qū)域的鑰匙。

目前在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)部分可重構(gòu)方法的方案分為三種。第一種方案，是在硬件宏差異基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)施，首先先對(duì)硬件進(jìn)行描述和初始化概統(tǒng)，利用具體算法獲取電路中LUT的重要內(nèi)容，然后，再通過智能編輯器對(duì)所獲取文件信息進(jìn)行智能生成，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行；第二種方案，是基于模塊化的技術(shù)方案，不同時(shí)期有不同的運(yùn)作。在系統(tǒng)運(yùn)行前，會(huì)依據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的不同任務(wù)對(duì)其和電路進(jìn)行相應(yīng)模塊劃分，再通過系統(tǒng)進(jìn)行控制，生產(chǎn)不同的配置文件并下載完整的配置信息，整體完善計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)便會(huì)不斷依據(jù)系統(tǒng)情況進(jìn)行控制和配置，以便在系統(tǒng)運(yùn)營后期，順利替換某些動(dòng)態(tài)模塊；第三種方案是利用bitstream的技術(shù)方案，首先以幀的形式對(duì)系統(tǒng)的編程信息進(jìn)行詳細(xì)保存，一旦在系統(tǒng)運(yùn)行中，某一LUT需要進(jìn)行修改，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)尋找相應(yīng)的幀，并將幀上的信息讀取，再進(jìn)一步修改，確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和靈活性。上文三種實(shí)現(xiàn)部分可重構(gòu)的方案，都是通過對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件資源的分時(shí)復(fù)用，提高計(jì)算機(jī)內(nèi)部資源的利用，促進(jìn)嵌入式計(jì)算機(jī)整體系統(tǒng)的運(yùn)作。

2.2 可編程重構(gòu)

對(duì)于可編程重構(gòu)方法而言，在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一般采用軟件方法和IP重用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的快速開發(fā)。軟件代碼是在外部通用處理器或是嵌入式處理器中執(zhí)行的，進(jìn)而改變系統(tǒng)中數(shù)據(jù)路徑的連接與控制組件的功能配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用。簡單來說，將系統(tǒng)內(nèi)部所有信息的數(shù)據(jù)線路集中一處進(jìn)行處理，在中心處和外界進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換。

可編程重構(gòu)的整體運(yùn)作是比較明確的，按照功能將框架分為三部分：數(shù)據(jù)層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，控制層主要是控制數(shù)據(jù)層，而現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列包含著數(shù)據(jù)層和控制層。數(shù)據(jù)層的運(yùn)作需要數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)和專門的控制接口，在組件間關(guān)系的動(dòng)態(tài)配置中，給予系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持，并用控制接口接受處理器的命令，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)功能組件的重配；而對(duì)于控制層部分，計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中的控制接口是其重要接結(jié)構(gòu)，并起到控制數(shù)據(jù)路徑的作用；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列系統(tǒng)需要大量的技術(shù)支撐，例：控制接口、通用接口、系統(tǒng)集成工具等，而其中的通用接口為組件間的相互通信提供了便利。此外，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層的構(gòu)建和組件功能的配置還需要數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)和專門的控制接口，確保嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在嵌入式計(jì)算機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 可重構(gòu)計(jì)算機(jī)應(yīng)用

可重構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是在部分可重構(gòu)的基礎(chǔ)上，依據(jù)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)，加入IP重用技術(shù)和多核技術(shù)的為嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)。而其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是與部分可重構(gòu)結(jié)構(gòu)相似的，先在計(jì)算機(jī)內(nèi)部依據(jù)不同功能將電路劃分和集合，形成多個(gè)處理單元和交換單元，用高速光纖和配置網(wǎng)絡(luò)將兩者連接形成巨大的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列系統(tǒng)。與此同時(shí)，靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)建立相應(yīng)的中央處理器和關(guān)鍵詞，作為局部信息數(shù)據(jù)處理的運(yùn)輸路線，再利用高速光纖將現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和中央處理器連接。

可重構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在其系統(tǒng)連接中不僅能夠通過高速光纖網(wǎng)絡(luò)將每個(gè)處理單元相互連接，使其成為擁有著能夠核心處理信息數(shù)據(jù)的重要功能，還能夠?qū)Ω鱾€(gè)模塊中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和模塊之間的傳輸，實(shí)現(xiàn)良好的系統(tǒng)計(jì)算功能，確保系統(tǒng)內(nèi)部信息處理和運(yùn)輸便捷。

3.2 嵌入式計(jì)算機(jī)中應(yīng)用

對(duì)于嵌入式計(jì)算機(jī)來說，一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存在著一定的缺點(diǎn)，例：實(shí)際安裝復(fù)雜、系統(tǒng)運(yùn)作不靈活、無法及時(shí)更新系統(tǒng)軟件、計(jì)算機(jī)資源利用率低等；而動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在嵌入式計(jì)算機(jī)運(yùn)行中，不僅能夠避免一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的缺點(diǎn)，還能利用計(jì)算機(jī)內(nèi)有限信息資源進(jìn)行重新組合，增加計(jì)算機(jī)硬件和軟件自身的可擴(kuò)展性、高靈活性、高性能的處理結(jié)構(gòu)。在該技術(shù)系統(tǒng)中，會(huì)根據(jù)計(jì)算機(jī)中央信息處理器所提供的具體任務(wù)要求，對(duì)內(nèi)部的數(shù)字邏輯資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，選擇適合任務(wù)要求的最優(yōu)組合。與此同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)部的信息交換和記錄網(wǎng)絡(luò)的目的，技術(shù)中還利用了NOC技術(shù)，將IP核之間的連接加強(qiáng)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信連接加強(qiáng)。在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列中，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加入了可重構(gòu)接口和微處理核，給予系統(tǒng)更多的重配置和自主控制，提高計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)的交互網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。此外，如何降低嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和周期，也是動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用的重要一點(diǎn)，則IP重用技術(shù)將成為應(yīng)用中的關(guān)鍵。IP重用技術(shù)的使用，將影響到計(jì)算機(jī)能系統(tǒng)否控制現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列內(nèi)部芯片的基礎(chǔ)組件，進(jìn)行終端控制器等任務(wù)，一旦IP重用技術(shù)使用順利，不僅能使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可復(fù)性增強(qiáng)，還便于快速開發(fā)適應(yīng)更多類型的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

4 總結(jié)

伴隨著嵌入式計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，對(duì)于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能復(fù)雜化的要求也越來越高，而一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)顯然不能再滿足其未來發(fā)展的需求，可重構(gòu)技術(shù)顯然更加適合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展?？芍貥?gòu)技術(shù)在嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用將成為計(jì)算機(jī)未來發(fā)展的關(guān)鍵，其能夠真正做到將計(jì)算機(jī)內(nèi)部資源的利用率提高，合理配置數(shù)據(jù)路徑，讓嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更大的邏輯設(shè)計(jì)，擁有更大發(fā)展前景，促進(jìn)計(jì)算機(jī)行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

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