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利用FPGA的可编程性和Java平台良好的移植性的嵌入式系统平台

2018年06月14日 09:16 次阅读

1. 概述

传统的嵌入式系统设计的主要目标是找到一种优化的体系结构来完成单一的,特定的功能。对这样的系统来说,ASIC和核心处理器是作为特别的构件模块加以考虑 的:设计者根据应用的要求选择适当的ASIC,根据给定的性能要求比如处理器主频,系统稳定性,以及对功耗的要求等选用适当的处理器内核。

然而,在当今移动通信已经进入每个人的生活的今天,现在的嵌入式系统比如PDA等已经不同于传统意义上的嵌入式系统了,它们有自己的独特特点。客观需要要求它们能够支持多种应用功能如网页浏览,播放音频/视频文件,以及进行无线网络通信等。

这样看来,传统的设计思路因为只面向单一的应用,无法满足多应用嵌入式系统的需求。而解决这一问题的良好途径便是向嵌入式系统引入可编程能力,以使得系统能够根据用户的不同要求实现对不同应用的支持。

为了向系统中引入可编程能力,我们考虑在系统中嵌入FPGA,因为FPGA具有下列特点,使得它成为我们的首选:

1.现在的FPGA的处理能力和逻辑容量已经接近于专用ASIC,功耗也比较低,能够满足我们系统设计的要求;

2.由于FPGA具有的可重编程能力,使用了FPGA的嵌入式系统能够满足各种不同的应用要求;

从 嵌入式系统管理的角度来说,对网络通信的支持也是很有必要的,也是很有特色的一个应用,因为它使得从远端服务器下载新的应用程序并在本地运行成为可能。为 实现对这个功能的支持,我们采用Java作为软件平台。因为Java运行在Java虚拟机之上,它能够下载并执行新的应用程序代码,并且无需在下载后重新 启动系统。

综上所述,这个新的嵌入式系统是基于Java的,有一个FPGA和标准处理器相连。我们通过网络下载Java代码和可以对 FPGA进行编程的比特流。该系统也支持对FPGA的动态重新配置。为了实现硬件(FPGA)和软件(Java应用程序代码)之间的通信,又定义了一组本 地API,以使得从Java应用层能够访问到底层的硬件。为了调用这些本地API,采用了Java本地接口(JNI)。在本文中,将一些Java函数 (Javamethod)用FPGA可编程硬件来实现,称之为硬件方法(HW method)。

2. 系统设计

实现一个Java函数功能的对应的硬件方法实现的逻辑结构图如图1所示。

利用FPGA的可编程性和Java平台良好的移植性的嵌入式系统平台

输入缓存和输出缓存分别用来接收输入参数和存储输出结果。控制缓存用于对硬件方法的控制和检测,比如向硬件方法发出启动指令,检查其所处的状态并判断操作是否完成等。该模块中的所有缓存都映射到处理器物理地址空间中,处理器可以使用正常的读写指令完成对这些缓存的访问。

图2是该嵌入式系统的硬件平台,由一个标准处理器,一个FPGA和一个系统存储单元构成。它们之间通过共享的系统总线连接在一起。

利用FPGA的可编程性和Java平台良好的移植性的嵌入式系统平台

当 处理器向一个硬件方法发出读写操作指令时,该硬件方法在其自己的地址解码器的帮助下向数据总线上发送对应的响应信号。在这里,我们可以认为是处理器发起的 硬件/软件通信指令,而FPGA则是作为一个从属单元做出回应。因为在处理器发起初始指令后,就由可配置管理器来负责管理FPGA编程。这样一来,就实现 了处理器和FPGA的并行运行。

如图3所示,我们选择Java作为软件平台,并且装载了一个嵌入式操作系统为Java实时应用程序提供基本的服务,比如线程和其它硬件管理等。

利用FPGA的可编程性和Java平台良好的移植性的嵌入式系统平台

通过系统管理器,可以从远程服务器下载Java应用程序。系统管理器主要实现了下面3种协议:

1. 应用程序代码(包括可对FPGA进行编程的比特流)下载协议;

2. 用于远程管理的系统维护相关的协议;

3. 控制对嵌入式系统访问权限的认证协议。

系统管理器包括基于socket连接的客户端类加载器。远端应用程序可以下载到本地并按照下面的过程执行:

1. 完成认证过程,系统进入管理模式;

2. 下载应用程序代码,完成系统初始化,比如加载FPGA可编程比特流到相应的存储单元;

3. 执行新的应用程序。

在该系统中,为了简化起见,预先映射硬件方法地址到确定的系统物理存储区,目的是为了寻址操作的方便快捷。

由于我们使用了Java软件平台,应用程序就无法直接访问底层的硬件。这就是说,运行在处理器Java虚拟机上的应用程序不能直接访问映射到FPGA中硬件方法的缓存区域。为解决这个问题,理论上可以采用下面两种方法:

1. 修改Java虚拟机,使其具有对处理器物理地址的直接访问能力;

2. 单独设计一种Java本地接口(JNI),使得应用程序通过该接口提供的功能实现对硬件方法映射到的物理地址的访问。

尽 管第一种方案的效率较高,并且没有引入额外开销,但是修改Java虚拟机内核是相当繁杂的工作,同时也可能会引起潜在的系统不稳定。第二种方案虽然引入了 一定的额外开销,但便于移植和实现。因此,我们采用方案二,在Java虚拟机和Java本地接口之外又设计了一个本地通信库。

本地通信库API形式如下:

int hwWriteXXX(int addr, XXX p);

int hwWriteArrayXXX(int addr, XXX[] p);

XXX hwReadXXX(int addr);

XXX[] hwReadArrayXXX(int addr);

int hwConfig(int cf_mem_addr, int bitstr_size);

Java本地接口层接口的形式如下:

class HWInterface{

staTIc int ConfigStatus;

public staTIc naTIve int setParam(CID hw_cid, object P)

{

if(type_of_P == XXX)

err = hwWriteXXX(hw_cid.addr, (XXX)P);

return err;

}

public staTIc native int getResult(CID hw_cid, object R);

public static native int setCMD(CID hw_cid, int cmd);

public static native int getStatus(CID hw_cid);

public synchronized static native int configHW( CID hw_cid);

}

在上面代码中,XXX表示基本的Java数据类型如整型(integer)、浮点型(float)、双精度型(double)等。

Java 应用程序通过类HWInterface提供的方法访问本地库。上面的代码中给出了setParam的具体实现。其中,CID是包括硬件方法映射到的缓存地 址的一个对象,对应于每个硬件方法的CID都是唯一的,因此,该地址和缓存区大小都是事先已经确定了的。但是,由于系统中只有一个配置控制器,我们无法同 时就两个或多个硬件方法向FPGA进行编程,也可以说同一时刻只能有一个硬件方法在使用配置控制器。为此,引入了一个静态变量ConfigStatus来 反映配置控制器的当前状态。所以,访问配置控制器的函数configHW()是静态的同步的。

使用上面给出的接口,则下面这段代码

methodA()

{

…;

int a = objA.m1(2); //SW method

int b = objB.m2(3); //HW method

int c = a + b;

…;

}

就应该写成下面的形式:

methodA()

{

…;

1 HWInterface.configHW(cid2); // cid2 is the ID of HW method m2

2 Object P = new Integer(3);

3 HWInterface.SetParam(cid2,P);

4 HWInterface.startHW(cid2);

5 int a = objA.m1(2);

6 Object R = new Integer();

7 While(HWInterface.getResult(cid2, R) == 0)

; //wait until HW method finished

8 HWInterface.getResult(cid2, R);

9 int b = ((Integer)R.getValue());

10 int c = a + b;

…;

}

在 上例中,为了执行FPGA中的函数objB.m2(),首先对FPGA进行编程(Line1)。然后,将参数拷贝到硬件方法的输 入缓存中 (Line3),并对硬件方法进行初始化(Line4)。最后,采用了一个循环函数持续检查硬件方法缓存的状态(Line7,8),直至计算完成,然后拷 贝得到结果(Line9)。

3. 系统实现

使用ARM710T处理器和Virtex的FPGA,根据上文给出的设计方案,我们实现了一个嵌入式系统开发平台。该平台包括一个网络接口,两个调试接口,一个PCI主机接口和一个串行口。并移植了一个嵌入式操作系统和一个小巧的Java实时运行环境。如图4:

利用FPGA的可编程性和Java平台良好的移植性的嵌入式系统平台

4. 总结

本 文用一种全新的思路,对传统的嵌入式系统进行了改进,实现了一种能够支持多种应用的嵌入式系统平台。利用FPGA的可编程性和Java平台良好的移植性 能,该平台完全能够满足我们的设计要求。当然,也有不足之处,比如对配置控制器的状态的获取,可以考虑使用中断的方式来实现,而不是采用本文中的循环查询 机制。这将在以后的工作中加以改进。

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FPGA比CPU和GPU快的原理是什么

浅谈Java编程学习 Java基础语法注意项

每当说到IT行业时,很多朋友们会想到java,随着时代的发展,人们学习java的热度依然只增不减,但...

发表于 2018-05-30 16:34 74次阅读
浅谈Java编程学习 Java基础语法注意项

FPGA学习系列:1.quartus II 13...

今天从这一篇开始给大家分享一些干货,以便大家学习FPGA,多动手,从实践中学习理论是最效果的学习方法...

发表于 2018-05-30 14:17 1617次阅读
FPGA学习系列:1.quartus II 13...

从FPGA到ACAP,赛灵思再次超越自我

赛灵思是FPGA的发明者。深鉴科技提供的一个实际案例表明,赛灵思在支持非常广泛的AI应用.作为可以和...

发表于 2018-05-30 09:14 568次阅读
从FPGA到ACAP,赛灵思再次超越自我

FPGA市场现状和未来趋势如何?

本文首先介绍了PGA的发展由来及工作原理,其次介绍了FPGA基本特点及国内发展现状,最后介绍了中国F...

发表于 2018-05-30 09:02 596次阅读
FPGA市场现状和未来趋势如何?

FPGA如何从入门到高手?

本文首先介绍了FPGA的特点与FPGA芯片结构,其次分析了FPGA与ASIC及CPLD对比,最后介绍...

发表于 2018-05-30 08:39 559次阅读
FPGA如何从入门到高手?

FPGA的优点和缺点介绍_IP核在FPGA设计中...

我是MCU的长期用户和狂热者,特别是对多功能低成本MCU上有着浓厚的兴趣,这种MCU模块能够通过单芯...

发表于 2018-05-30 02:46 317次阅读
FPGA的优点和缺点介绍_IP核在FPGA设计中...

哪些场景需要传感器“耍小聪明”?

Lattice sensAI是一种结合模块化硬件套件、神经网络IP核、软件工具、参考设计和定制化设计...

发表于 2018-05-29 19:24 539次阅读
哪些场景需要传感器“耍小聪明”?

一文看懂FPGA在下一代网络架构中的重要意义

本文首先介绍了FPGA概念及与CPLD的主要区别,其次介绍了FPGA工作原理及下一代网络架构中的重要...

发表于 2018-05-29 16:41 301次阅读
一文看懂FPGA在下一代网络架构中的重要意义

全国集成电路“创业之芯”24强,究竟是哪24强呢...

公司致力于开发、生产、销售中红外半导体激光芯片,包括可用于气体检测的中红外单模激光芯片、可用于军事红...

发表于 2018-05-29 15:20 883次阅读
全国集成电路“创业之芯”24强,究竟是哪24强呢...

介绍一下xilinx的开发软件vivado的仿真...

本文介绍一下xilinx的开发软件 vivado 的仿真模式, vivado的仿真暂分为五种仿真模式...

发表于 2018-05-29 13:46 1089次阅读
介绍一下xilinx的开发软件vivado的仿真...

FPGA是如何实现30倍速度的云加速的?

2017年1月20日,腾讯云推出国内首款高性能异构计算基础设施FPGA云服务,利用云服务的方式将只有...

发表于 2018-05-29 13:44 926次阅读
FPGA是如何实现30倍速度的云加速的?

基于RO电路变化PUF的FPGA实现

现代密码协议规定只有授权参与者才可以获得密钥和访问信息的权限。然而,通过侵入系统泄露密码的方法层出不...

发表于 2018-05-29 11:35 454次阅读
基于RO电路变化PUF的FPGA实现

简谈Altera和Xilinx的FPGA区别

大家好,又到了每日学习的时间了,最近有很多人再问我学习FPGA到底是选择Altera的还是xilin...

发表于 2018-05-29 10:41 1281次阅读
简谈Altera和Xilinx的FPGA区别

Molex 宣布收购 BittWare公司

Molex 宣布收购 BittWare, Inc.,后者是一家全球领先的计算系统的提供商,专业提供...

发表于 2018-05-29 10:29 847次阅读
Molex 宣布收购 BittWare公司

未来GPU、FPGA和SoC的重要性

云端数据中心和自动驾驶汽车等未来系统,需在运算能力上进行改善,以支持不断增加的工作负载,以及不断演进...

发表于 2018-05-29 02:45 143次阅读
未来GPU、FPGA和SoC的重要性

赛灵思的 FPGA已经翻天覆地 并且提出三大愿...

30多年过去,RossFreeman最初构建的可编程器件帝国已经发生了翻天覆地的变化,恰如人间的沧海...

发表于 2018-05-29 02:40 375次阅读
赛灵思的 FPGA已经翻天覆地  并且提出三大愿...

数据分析为什么用Python?只需4代码就可以画...

用 Python 4行代码即可以画出一个地图,8行代码画出一个中国地图!

发表于 2018-05-28 16:16 678次阅读
数据分析为什么用Python?只需4代码就可以画...

Xilinx FPGA开发工具总结

在xilinx下每种操作其实都对应着一种工具,逻辑综合,网表与constraint fie的合并,布...

发表于 2018-05-28 11:42 672次阅读
Xilinx FPGA开发工具总结

ZYNQ-7000如何生成从Flash和SD卡启...

ZYNQ-7000如何生成从Flash和SD卡启动的镜像文件 将PL与PS部分一起使用,并且通过JT...

发表于 2018-05-28 11:42 553次阅读
ZYNQ-7000如何生成从Flash和SD卡启...

如何为 FPGA 供电寻找最佳解决方案

如果使用多个单独的电源,增加时序控制芯片便可实现所需的上电/关断顺序。一个例子是 LTC2924,它...

发表于 2018-05-28 11:32 138次阅读
如何为 FPGA 供电寻找最佳解决方案

为什么说学好FPGA,首先要掌握HDL

荐读:如何学习FPGA 大家好。又到了每日学习的时候了,近期很多人问我该如何去学FPGA,那...

发表于 2018-05-28 09:09 1039次阅读
为什么说学好FPGA,首先要掌握HDL

SpringBoot将推翻以往的Java应用开发

 使用Java做Web应用开发已经有近20年的历史了,从最初的Servlet1.0一步步演化到现在如...

发表于 2018-05-27 08:27 990次阅读
SpringBoot将推翻以往的Java应用开发

加速到来的未来_通过定制化软件提高工作流程

近日,在 NIWEEK 2018上, NI 市场副总裁Luke Schreier做了题为《加速到来的...

发表于 2018-05-26 09:35 944次阅读
加速到来的未来_通过定制化软件提高工作流程

看LabVIEW之父谈论未来LabVIEW的软件...

日前,在 NIWEEK 2018上, NI 共同创始人、Fellow、有着 LabVIEW 之父称号...

发表于 2018-05-26 09:25 1962次阅读
看LabVIEW之父谈论未来LabVIEW的软件...

嵌入式工程师为何要选用FPGA?

在一个领域中,如果唯一不变的是变化,那么不需要对管家婆生活幽默技术和设计方法的发展变化做多少回顾,就能见证到变...

发表于 2018-05-25 16:53 796次阅读
嵌入式工程师为何要选用FPGA?

FPGA的DCM时钟管理单元概述

有些FPGA学习者,看Xilinx的Datasheet会注意到Xilinx的FPGA没有PLL,其实...

发表于 2018-05-25 15:43 677次阅读
FPGA的DCM时钟管理单元概述