分析共享存储可重构计算机软硬件通信优化实现之我见

论文导读：
摘 要：伴随着可重构器件的快速发展与使用，共享存储可重构计算机软硬件通信逐渐成为国际计算机领域的新热点。因为可重构器件不仅具有硬件电路计算效率高的良好性能，同时具有可多次编程、方便修正的灵活性，硬件任务和软件任务等同的概念出现在系统设计中，共享存储可以灵活地完成一些稠密进行计算任务，打破了传统的软硬件协同设计领域，使其发生了巨大的变革。传统的硬件任务不支持程序上下文的切换、没有虚拟内存机制、无法唤醒系统服务等特点。共享存储通过虚拟地址映射机制，在硬件中实现了进行虚拟地址映射行为的模块，使硬件任务同软件任务一样具有虚拟地址，并利用这种机制实现了软硬件任务之间的通信。
关键词：共享存储；可重构计算机；软硬件通讯
中图分类号：TP333
1 可重构计算机与共享存储可重构计算机
通过研究可知，可重构计算机的组成有两个部分：第一，硬件部分，该部分的编程是可以重新构造的；第二，软件部分，该部分与硬件部分较为类似。这两个部分组合后所产生的功能是目前最先进的，其功能也是一般硬件、软件普通结合所无法达到的，其功能更加强大。可重构计算机能够完全代替以往的旧式程序，走上了计算领域的巅峰，形成了质的飞跃。不过上述技术要求较高，是硬件和软件的综合，所以依据现有的技术，共享存储可重构计算机软硬件通信还存在很多需要解决的理由，用于商业开发则更是后话了。
共享存储可重构计算机主要是面对大量信息处理等规模较大的综合性要求，对于一般用户而言，在使用重构计算机系统时，主要目的就是以PCIE为基础，处理相关平台数据，也就是以普通电脑为基础，将FPGA与PCIE相连接，两者接通后，FPGA就能及时访问系统内容，最终计算并得出相应数据。
2 可重构计算机的要点

2.1 硬件粒度

硬件粒度是计算机中硬件综合、集中量的完整表述。在可重构计算机中，其硬件系统的要素综合、集中量的高低决定了硬件的使用效率。效率越高，所采用的硬件数量就更少，那么对于可重构计算机整体而言，总硬件数量就会下降，相应的，其运作效率就会有所提高，这种现象也被视为硬件粒度的提升，相反，就视为硬件粒度的下降。从另一方面来说，如果硬件粒度有所提升，那么在应用中的效率也就越高，功能就更加强大，同时，硬件数量更少，节约了成本。通过研究目前目前状况可知，现有的可重构计算机中的硬件粒度是远远不够的。如果有稍简洁的电路，那么采用乘法器时，逻辑门的作用就变得相对重要，包括：或门、与门、非门、与非门、或非门等。为了解决这一理由，部分研究人员，认为完全可以以算法逻辑单元（即ALU）及乘法器取代通常作用上可重构计算机系统的主流单位，FPGA单位。按此原则设计出的可重构计算机，其算法单元抽象程度高，可以说是通过算法单元的功能实现了“重构”，故而一般又被称为功能块计算机；以FPGA及其附属元件设计出的可重构计算器，充分利用了FPGA的灵活性，这种系统一般又被称为网络表计算机。

2.2 可重构硬件和处理器之间的距离

在重构计算机结束研究、应用在实际共享存储可重构计算机软硬件通信的优化实现之我见相关范文由写论文的好帮手www.7ctime.com提供,转载请保留.操作阶段时，该系统依然有其不完善的地方：总线并没有与系统硬件相联接，只是简单地将其与外部的总线路相接，其作用是单一地对CPU进行辅助工作。专家指出，只有从根本上对处理器和硬件进行完善，才能提高其通信速率，将两者的距离逐步减小，最好的方案就是把两者直接连接，通过处理器强大的功能对数据进行计算和访问。专家的观点为可重构硬件的进一步研究做出了铺垫，具有长远的作用。

2.3 容量

可重构计算机的容量高低直接决定了其性能好坏，总的来说，就是降低硬件数量，重新构建系统，使其功能更加完善。如果实际情况不同，那么选择硬件和软件的数量也不尽相同，因为可重构计算机系统性质变化是由硬件、软件的综合功能决定的，与此同时，对其要求的不同，研发、使用的工作人员技术层次高低，也是另一个重要的方面。
3 共享存储可重构计算机软硬件通信的优化
该系统以FPGA为主要载体，NIOS2的作用就是协助其信号和数据处理，并独立计算。同时，NIOS2的频率不够，所以上面的代码长度也不足以满足其需求。而GPP与其有所差距，因为在GPP的运作中，执行开销更大，但是两者的写作运转无法有效提高系统性能。因此，若想优化该系统，要确保NISO2的独立性，确保其虚拟地址的访问量和独立性。

3.1 独立虚拟存储访问

独立虚拟储存有两个要求：第

一、对地址进行查阅和翻译；第二，对数据进行统计、核算和传送。

第一个要求主要是对Avalon（总线）进行翻译，同时设置PICE并综合地址和表格数据，只有Avalon（总线）中的地址能够与本地地址相呼应，就能保证系统的运营效率。PGD与PTE可以用来描述虚拟地址与实际地址的映射关系。两者中出现空入口，那么可知其出现页错误，上文中提到的FPGA无法实现页错误的运算和解答，因此可以通过CEH策略对错误进行解答。处理过程中，GPP会优先收到页错误报告，而GPP还有一个功能，就是完全置换FPGA对页错误进行解答。
第二个要求主要是针对PCIE完成的。PCIE能够将总线中的数据进行转换，而此要求的效率不高，由于两者换算过程繁杂，因此PICE的效率低下就严重影响了总线中的数据通畅度。那么可通过组件的应用对FPGA进行计算，以便提高其运算效率。

3.2 实现同步存储

实现同步存储需要用到POSIX信号量，该变量实际上是一个整形变量，一般具有16B的长度，只有满足原子性要求的访问语句，才能对其进行有效访问，这就需要我们在进行原语操作的时候，保证动作的原子性。例如，在进行内存读取操作时，利用FETCH语句后，还需要通过加法操作，将其写入另外的存储单元，在这两个操作之间，不得夹杂其他的语句操作。在常见的X86计算机系统下，实现这种原子性操作，是通过总线的锁定功能，即FSBLOCK功能实现的，当FSBLOCK信号出现时，表示有一个原子操作需要被执行。
而论文导读：
在可重构计算机中，原子操作则是通过FPGA元件实现的。该元件详单与一个PCIE端设备，并不具备将前端总线锁死的功能，也就无法通过FSBLOCK实现相同的原子性操作了，事实上FPGA元件之所以能够有效支持原子操作，是因为其内部具有一个特殊的存储单元——Mutex RAM。该单元虽然位于FPGA元件内部，但其作用范围却可以映射到系统存储中，可以保证GPP对总线的有效方位。在该单元的作用下，无论是GPP还是NIOS2，均能对进程进行锁定，从而保证互斥。具体而言，当GPP锁定了该单元后，一旦操作的目标地址位于PCIE设备中时，MCH单元会对操作进行转换，将其标记为读锁定操作，当读写操作完成后，锁定标记清零，保证操作准确，如果不然，则会发出解锁事务包。可见，当读操作或读锁定操作之间的存储单元已经被锁定时，操作会被堵塞，从而保证原子操作的准确性。
4 结束语
从当下的情况看，我国虽然一直致力于研究可重构计算机，但并未取得阶段性的进展，还远未实现该类计算机的商业化，关于本文所探讨的共享存储技术也仅停留在理论阶段。当然，即便目前状况并未达到让人满意的境界，我们还是应该保持乐观的态度，重视软硬件的API设计，并从应用开发系统入手，加大科研力度，缩短我国与世界发达国家间的差距。
参考文献：
[1]王学宝，朱勇，郑波祥.基于FPGA的Compact PCI Express通信接口模块设计研究与实现[J].电子技术应用，2010（1）.
[2]荀长庆，杨乾明，伍楠，文梅，张春元.共享存储可重构计算机软硬件通信的优化实现[J].计算机研究与发展，2013（8）.
作者单位：吉林人民广播电台，长春 130033