一种支持可重构混成系统的操作系统设计与实现.doc

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1、一种支持可重构混成系统的操作系统设计与实现乔磊*，齐骥，龚育昌(中国科学技术大学计算机科学技术系合肥230027)摘要可重构硬件和指令集处理器构成的混成系统兼有运算速度高和编程灵活的优点，是近年来学术界研究的热点。已有的面向该类系统的操作系统由于受到传统抽象模型的制约，不能充分发挥可重构硬件的优势。本文在分析该类系统对操作系统的需求和已有运行模型缺陷的基础上，提出了一种基于服务体/执行流模型的操作系统SEF-OSHRS。它具有统一的系统对象抽象和通信接口，并可支持控制流的直接转换，因而能充分发挥混成系统的优势。文中

2、详细介绍了该操作系统的基本抽象、系统结构和运行方式，并通过实验结果说明了该系统的可用性和高效性。关键词可重构混成系统；操作系统；服务体；执行流中图分类号TP302AnOperatingSystemforHybridReconfigurableSystems:DesignandImplementationQIAOLei*,QIJi,GONGYu-chang(DepartmentofComputerScienceandTechnology,USTC,Hefei,230027)AbstractHybridsystemst

3、hatarecomposedofreconfigurablehardwareandinstructionsetprocessorscanachievehighperformanceaswellasflexibleprogrammabilitysimultaneously,howevertheexistingoperatingsystems(OS)cannotfullyutilizethereconfigurablecomputingresourcesinsuchsystems.ByexploitinganovelO

4、SconstructionmodelSEFM(Servant&Execution-FlowModel),thispaperpresentsanOSnamedSEF-OSHRS,whichhasauniformsystemobjectabstractionmodelandinter-servantcommunicationinterface.SEF-OSHRScantransferthecontrolflowdirectlyalongwiththeinter-servantcommunicationandthusma

5、kefulluseoftheadvantagesofhybridreconfigurablesystems.Thefundamentalabstractionmodel,systemarchitectureandrun-timeenvironmentarediscussedindetail.Theusabilityandefficiencyareprovedbyexperiments.KeywordsHybridReconfigurableSystem;OperatingSystem;Servant;Executi

6、on-Flow1引言可重构混成系统(以下简称混成系统)既可发挥专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)速度上的优势，又具有指令集处理器ISP(InstructionSetProcessor)的灵活性，近年来在嵌入式领域已有广泛应用。支持可重构混成体系结构的操作系统OSHRS(OperatingSystemforHybridReconfigurableSystem)能够支持可重构资源的动态管理，并提供基本的运行环境和编程模型，从而可更有效的利用可重构计算资源。图

7、1是由部分可重构FPGA(FieldProgrammableGateArray)和ISP等器件构成的混成系统结构示例，本文所讨论的操作系统即基于该种混成结构。所谓部分可重构，是指FPGA可在运行时动态改变某一部分的配置，而器件上其余未更改部分仍按原有方式正常工作。图1可重构混成系统结构Brebner[1]是最早在操作系统方面对可重构技术进行研究的人之一，他提出的虚拟硬件资源的概念类似于传统操作系统中的虚存，将可重构资源划分成类似于“页”的、具有固定面积和输入/输出的互联单元。该方案大大降低了系统的灵活性，资源浪费和

8、碎片现象也很严重；文献[2]着重讨论了可重构操作系统应提供的基本服务，如：任务划分、任务布局、任务间布线等，并用时间复杂度相对较低算法加以实现。但未对运行模型做出明确说明；文献[3]通过扩展Linux操作系统的方法，实现了一个OSHRS的原型，其目的是使ISP端的应用程序和FPGA端的逻辑模块都受到支持，并可自由在混成系统中迁移。可重构资源被组织为一系列IC