基于sopc技术构建fpga上的bs系统

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1、基于SOPC技术构建FPGA上的B/S系统摘要：本文论述了使用FPGA器件，利用SOPC嵌入式开发技术，复用多种软CPUIP核，使用片内总线代替机群内的计算机网络，移植现有的软件开发方法，在片上构建包含WEB服务器、业务逻辑应用服务器、数据库服务器的B/S系统的可行性及实现方法，并给出一个具体实现方案。引言B/S系统一直是基于大中小型服务器、台式机等通用计算机而设计的。为具体单个的B/S系统从芯片开始量身订做一整套计算机软硬件系统，使其安全、可靠、高效地运行，长期以来被认为是一件不现实的事情。近年来，FPGA器件和SOPC嵌入式开发技术的迅速发展为多处

2、理器片上系统的实现提供了灵活的解决方案。利用可配置处理器软核复用的多处理器片上系统，借以实现B/S系统软硬件一体化，已经成为一个值得研究的课题。本文探讨使用FPGA器件，利用SOPC技术，复用多种软CPUIP核，移植现有的编程模式，在片上构建一个多处理器B/S系统的可行性及实现方法。这种系统不仅效率、处理事务的吞吐率与现有的以通用机为主的B/S系统相当，且其安全性、可靠性更好，成本更为低廉。一、可行性当前的典型B/S系统一般分为三层：数据访问层、业务逻辑层、表示层，另外，其后台一般都需要DBMS为其提供数据库服务。系统所需的机器主要有：数据库服务器、业

3、务逻辑应用服务器、Web服务器，三种服务器软件可以部署在一台机器上，也可部署在多台机器上，各机器之间用计算机网络互连，目前流行的部署方式属于后者。在B/S系统中，一个用户从浏览器输入URL到一桩事务处理完毕基本上要经历如下几个过程：1、Web服务器解释页面脚本2、在遇到业务逻辑运算时调用业务逻辑层API3、业务逻辑应用程序进行业务逻辑运算4、业务逻辑应用程序在遇到数据库操作时向DBMS传递SQL语句5、DBMS操作数据库，并返回结果给应用逻辑应用程序6、应用逻辑应用程序运行完毕时返回结果给Web服务器7、Web服务器生成结果HTML页面返回给客户端其中

4、2-6的过程可能会在一个页面里处理多次，3-5的过程可能会在一次业务逻辑运算时处理多次。因此，通常情况下，负荷最重的是DBMS，其次是业务逻辑应用子系统，最后才是Web服务子系统。其中，DBMS还要受限于磁盘读写速度瓶颈。当多个用户请求页面时，不同架构的B/S系统执行时间是不同的。为了简便测算系统的执行时间，先假设每次页面请求时，Web服务器、应用服务器、数据库服务器线性执行。设单个页面在Web服务器上运行的时间为TW，在应用服务器上运行的时间为TA，在数据库服务器上运行的时间为TD，通信开销为TC。则，串行执行一个页面处理所需的时间为：（1）流水执行

5、时，负荷最重的DBMS显然是瓶颈，当n个页面处理流水执行时，流水线的执行时间为：（2）由（2）式可以看出，当n非常大，且页面处理过程线性流水执行时，TW、TA、TC可以忽略不计，系统的吞吐率只与TD有关，即，数据库服务器吞吐率实际上决定了整个B/S系统的吞吐率。数据库服务器上CPU的运行时间与磁盘读写时间相比，相差约为六个数量级，即使采用了磁盘阵列、缓存管理、数据预处理等先进技术加快磁盘访问速度，也至少相差三到四个数量级，因此，可以这样认为，在B/S系统中，CPU的运算速度并不是最重要的因素。现在在FPGA上可运行的软CPU核中，Altera的Nios

6、II可以达到200DMIPS，Xilinx的MicroBlaze可以达到166DMIPS，OpenCores的OpenRisc1200性能介于ARM7到ARM9之间，在主频300MHz时，性能可以达到300DMIPS，虽然与主流通用机CPU相比，它们的速度有很大差距，但在B/S系统中，这种差别已经为页面处理过程的磁盘读写瓶颈所淡化。NiosII软核的耗费约600到3000个逻辑单元，MicroBlaze与NiosII的耗费相当，OpenRisc1200耗费约为4000个逻辑单元，而一片Altera的高端StratixIIFPGA器件EP2S180有17

7、9400个逻辑单元，一片Xilinx的高端Virtex-4型LX系列FPGA器件最大有89088个Slice。在其上复用多个CPU软核（至少三个以上）构成多处理器硬件系统已经不再是非常困难的事情。OpenCores已经在OpenRisc1200上移植了Linux内核版本2.6.15(当前最新版本为2.6.24)，并提供GCC4.0的交叉编译工具链；Altera为其NiosII提供了uCosII开发插件，同时，Microtronix也为其提供了uClinux内核移植及其开发插件；MicroBlaze上也移植了uClinux.；由于这些工作的完成，片上多核

8、B/S的软件系统构建的复杂度大大降低。因此，利用可配置处理器软核复用的多处理器片上系统，借以实