隨著基于可重構(gòu)器件的快速發(fā)展和使用,基于FPGA的可重構(gòu)技術(shù)逐漸成為國際上嵌入式計算領(lǐng)域中的一個新熱點。由于可重構(gòu)器件既有硬件電路高效計算的優(yōu)良性能,也具有多次編程、易于修改的靈活性,硬件任務(wù)作為一個和軟件任務(wù)等同的概念出現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計中,FPGA(?)可以靈活的實現(xiàn)一些計算密集型任務(wù),使傳統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計領(lǐng)域發(fā)生了重大的變革。由FPGA和CPU構(gòu)成的動態(tài)可重構(gòu)混合系統(tǒng)具有計算性能高、靈活性強、適用范圍廣等優(yōu)點,它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)意義上硬件與軟件的界限變得模糊,讓軟件擁有了硬件的高性能,又讓硬件具備了軟件的靈活性。 然而,由于硬件任務(wù)不支持程序上下文的切換、不具有虛擬內(nèi)存機制、不能夠喚醒系統(tǒng)服務(wù)等特點,在FPGA和CPU構(gòu)成的動態(tài)可重構(gòu)混合系統(tǒng)中,任務(wù)數(shù)據(jù)地址的透明性和硬件任務(wù)的通用性降低。因此,雖然在嵌入式設(shè)備中,任務(wù)管理和應(yīng)用技術(shù)上已經(jīng)發(fā)展比較成熟,但是在動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)中,運行在嵌入式處理器上的軟件任務(wù)和運行在FPGA上的硬件任務(wù)作為兩個獨立的部分,它們之間的通信問題仍然是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。 本論文提出了一種基于MMU模塊的軟硬件任務(wù)間通信方法,該方法通過引入一種基于MMU思想的虛擬地址映射機制,在硬件中實現(xiàn)了描述MMU進行虛擬地址映射行為的模塊,使硬件任務(wù)同軟件任務(wù)一樣具有虛擬地址,并利用這種機制實現(xiàn)了軟硬件任務(wù)之間的通信。此外,本論文為該通信方法設(shè)計并實現(xiàn)了硬件任務(wù)間的互斥機制、頁表機制、中斷機制,確保了該通信方法在軟件硬件混合系統(tǒng)中的實現(xiàn)。 本論文應(yīng)用Xilinx公司生產(chǎn)的Virtex-Ⅱ pro系列FPGA可重構(gòu)開發(fā)平臺進行系統(tǒng)設(shè)計,在軟件層面上實現(xiàn)了頁表、中斷等機制,在硬件層面上實現(xiàn)了該MMU模塊和AES加密解密算法。系統(tǒng)通過實驗驗證了該通信機制的可行性,提高了硬件任務(wù)對編程人員的透明性以及硬件任務(wù)的通用性,而且利用硬件任務(wù)的高性能,整體系統(tǒng)的運算效率能夠得到提升。
【學位單位】：東北大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2009
【中圖分類】：TN791;TP368.1
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 可重構(gòu)系統(tǒng)的介紹與描述
    1.2 可重構(gòu)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
    1.3 軟硬件通信的研究
        1.3.1 軟硬件任務(wù)通信模型研究
        1.3.2 硬件加速電路的研究
    1.4 問題提出
    1.5 論文組織結(jié)構(gòu)
第2章 開發(fā)平臺與相關(guān)技術(shù)
    2.1 FPGA的技術(shù)簡介
    2.2 Xilinx Virtex-Ⅱ Pro系列FPGA簡介
        2.2.1 PowerPC處理器
        2.2.2 高速串行I/O
        2.2.3 BRAM本地存儲器
    2.3 Xilinx公司FPGA及其開發(fā)工具
        2.3.1 Xilinx ISE開發(fā)工具簡介
        2.3.2 EDK開發(fā)工具簡介
    2.4 本章小結(jié)
第3章 基于MMU的軟硬件通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
    3.1 通用體系結(jié)構(gòu)中MMU的工作原理
        3.1.1 虛擬地址與分頁機制
        3.1.2 MMU的工作機制
        3.1.3 MMU的功能
    3.2 基于MMU的硬件通信機制體系結(jié)構(gòu)
    3.3 任務(wù)間通信的模型結(jié)構(gòu)
        3.3.1 軟件任務(wù)與硬件任務(wù)通信的模型結(jié)構(gòu)
        3.3.2 硬件任務(wù)與硬件任務(wù)通信的模型結(jié)構(gòu)
    3.4 硬件任務(wù)通信的互斥機制
    3.5 本章小結(jié)
第4章 基于MMU的軟硬件通信系統(tǒng)實現(xiàn)
    4.1 基于MMU硬件任務(wù)通信系統(tǒng)的硬件架構(gòu)
    4.2 MMU模塊的實現(xiàn)
        4.2.1 MMU模塊的基本思想
        4.2.2 MMU模塊的具體實現(xiàn)
    4.3 BRAM本地存儲器時序讀寫過程
    4.4 硬件任務(wù)間互斥機制的實現(xiàn)
    4.5 頁表機制的實現(xiàn)
    4.6 中斷機制的實現(xiàn)
    4.7 本章小結(jié)
第5章 硬件任務(wù)實現(xiàn)與系統(tǒng)實驗結(jié)果分析
    5.1 AES加密算法實現(xiàn)
        5.1.1 AES算法簡介
        5.1.2 AES算法實現(xiàn)
    5.2 實驗結(jié)果與分析
        5.2.1 軟硬件任務(wù)對BRAM本地存儲器讀寫
        5.2.2 AES加密解密算法
第6章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 未來工作
參考文獻
致謝
攻讀碩士期間科研情況

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