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基于FPGA硬件平台的可重构系统调度算法详解

2018年07月11日 11:20 次阅读

引言

可重构系统是指以软件改变硬件结构以实现具体应用的计算平台,一般由非柔性但可编程的处理器和柔性的以程序控制重构的数字逻辑器件构成。目前国内外的可重构系统研究中,采用的可重构硬件主要是现场可编程门阵列(Field Programming Gate Array, FPGA)。可重构系统非常适合于那些对功耗有严格要求或者计算密集的应用,因为此类应用在FPGA上实现的功耗要大大低于在处理器上实现的功耗。将在FPGA上运行的任务视为“硬件任务”纳入实时操作系统(RealTIme OperaTIng System, RTOS)的统一管理范围,可简化系统的设计与管理。因此,需要在传统的RTOS中引入硬件任务管理器,实现硬件任务的管理和调度。

目前,该研究已经取得了一定进展。如在参考文献[1]中提出的商用可重构系统OS4RS,包含的主要功能有任务的创建/销毁、异构任务的动态迁移、任务之间的相互通信等。支持软/硬件任务调试以及允许对操作系统模块和用户任务的跟踪监控,是可重构硬件操作系统的重要特征。在参考文献[2]中设计了一种基于软/硬件统一多任务模型的实时操作系统SHUMμCOS,实现了统一任务的管理、基于静态优先级的软/硬件任务独立调度、硬件资源的管理以及软/硬件任务基于软件层的通信等机制。

但是大多数研究者考虑的软/硬件调度算法一般难以在现有的FPGA硬件平台上实现,如参考文献[2]中FORS算法采用的2D FPGA资源模型。这是因为当前的FPGA技术只允许所有的任务占用同样的“高度”[3],并且上述工作中几乎没有将功耗纳入考虑范畴。因此,类似在嵌入式微处理器中广泛采用动态电压调整(Dynamic Voltage Scaling, DVS)技术以降低系统功耗,本文提出了一种动态调整FPGA工作频率的算法,在可重构系统的性能需求和功耗需求之间达到平衡,并且可以在当前的FPGA技术条件下实现。

1 调度模型

1.1 可重构系统体系结构

本文只考虑在当前FPGA技术条件下的可重构系统结构,如图1所示。FPGA分为动态和静态两部分。动态部分包括很多可重构模块(Reconfigurable Modules, RM),每个硬件任务运行在1个RM上,各个RM占用的FPGA宽度可以不相等,一般由若干同列的CLB(Configurable Logic Block,可重构单元)组成。静态部分则负责与CPU和RM之间的数据交互。

可重构系统体系结构

图1 可重构系统体系结构

假设FPGA是由很多CLB成阵列排列而成,每1个CLB可以看成1个1&TImes;1的单位正方形,1个FPGA则是1个面积为w&TImes;h的长方形。其中w为长方形的宽度,h为长方形

基于FPGA硬件平台的可重构系统调度算法详解

图2 1块5×4的FPGA

的高度,w×h为该FPGA包含CLB的总数(即面积)。图2所示为1块5×4的FPGA。

在实现中,因为每个RM都使用相同的FPGA高度,即h,所以最小的RM的面积是wmin×h,其中,wmin的大小依赖于硬件任务需要使用的CLB的个数。所以,1块FPGA上RM最多可以有:

当对1块FPGA进行配置时,其动态部分可以划分成具有不同宽度的RM,从而具有不同CLB需求的多个硬件任务可以同时运行在FPGA上。另外,对其中1个RM进行配置时,对于其他正在运行的部分没有影响,从而可重配置硬件使得硬件任务以一种真正的动态多任务方式运行。

1.2 任务定义

① 硬件任务:硬件任务是指可重构系统中基于FPGA实现的功能模块。一个硬件任务配置完成后即可开始执行,在完成之前一般不会释放其占用的可重配置资源,即不能被其他硬件任务抢占。

② 一个硬件任务可表示为Ti(fi,max,wi,ai,ci,ti,ei,fworking)。其中,fi,max是硬件任务可以运行在RM上的最大时钟频率,这个频率是由每个具体硬件任务设计的时序状况决定的,所以每个任务fi,max可能不同。wi是任务占用的可重构硬件的宽度资源,ai表示硬件任务的到达时间,ci表示硬件任务的最后完成时限,ti是硬件任务工作在fi,max时的运行时间。本文中不单独考虑硬件任务在FPGA上的配置时间,而是把它并入运行时间中一起考虑。e是硬件任务工作在fi,max时的功耗,可由参考文献[4]建立的功耗模型进行估算。fworking是该任务在运行时FPGA的实际频率。

硬件任务的功耗和硬件的运行频率直接相关,因此,可以使用以下2个公式对硬件任务实际的运行时间和功耗进行估算:

其中,f是硬件任务实际的运行频率。

2 功耗相关硬件任务调度算法EEHTS

2.1 硬件任务调度器设计

目标系统如图3所示。用户程序分为2部分,其中软件任务运行在CPU上,硬件任务运行在FPGA上。本文中只考虑功耗相关的硬件任务的调度,目标是将软/硬件任务统一起来进行考虑,在满足任务截止时限要求的情况下降低系统的整体功耗,即:

基于FPGA硬件平台的可重构系统调度算法详解

图3 硬件任务调度器

2.2 调度原则和放置原则

在嵌入式系统中,任务的正确性不但依赖于其功能正确性,而且依赖于其执行的及时性,所以确保任务不错过截止期是最重要的调度依据。在满足任务截止时间的前提下,1个新到达的硬件任务Ti的最迟开始执行时间(Last Starting time, LST)为LST(Ti)=ci-ti,如果Ti在放置时没有找到合适的位置,调度器并不立刻拒绝Ti,因为只要在LST(Ti)之前有满足Ti需求的资源被释放,那么Ti仍然可以满足其截止期要求。在EEHTS算法中,需要维护到达任务列表Alist,Alist中保存所有已经到达且未能成功分配的任务。已到达列表的任务按照任务的LST增序排列,即按照最早最迟开始时间优先(Earliest Last Starting time First , ELST)的原则进行调度。

硬件任务调度器的核心是进行定位分配,即根据硬件任务占用FPGA资源大小在FPGA上寻找合适的位置对FPGA进行配置,如参考文献[5]中提出的MER算法。但是此类算法采用的FPGA面积模型都是2D资源模型,并不能在当前的FPGA技术条件下实现,所以本文采用类似传统操作系统管理存储器资源的方法,即首次适配(FirstFit)[6]算法。在EEHTS算法中,需要维护空白资源列表B,B中保存了所有当前未被使用的FPGA上的空白区域。放置成功的硬件任务即可开始配置运行,因此在EEHTS算法中需要维护正在运行的任务列表Elist。执行列表Elist中包含所有正在运行的硬件任务Ti,任务按照执行完毕时间的增序排列。

在硬件任务完成之前,不能被其他任务抢占;当硬件任务完成之后,即可释放其占用的FPGA资源,并将执行完毕的任务插入到执行完毕任务列表Flist中。这个特点是硬件任务和软件任务的显著区别。

2.3 功耗相关硬件任务调度算法EEHTS

(1) 算法1:EEHTS算法

1: for Ti∈Alist do

2: if ( FirstFit (Ti,B) ) then

3:Place Ti on FPGA

4:Elist=Elist+Ti

5:Alist=Alist-Ti

6: fe=SelectWorkingFrequency(Elist,F)

7:if (fe

8:fworking=fe

9:endif

10:start Ti at fworking

11:return ACCEPT

12:elseif LST(Ti)》=t

13:return REJECT

14:else

15:return NULL

16:end if

在任何时刻t,EEHTS算法首先检查Alist队列中的第1个任务Ti,函数有3种可能的返回结果:ACCEPT、REJECT和NULL。第2行中如果FPGA空白区域列表B中有合适的位置放置任务Ti,那么将Ti加入到Elist中,然后第6行重新计算1个更加优化的FPGA频率fe,如果fe小于当前FPGA运行的频率fworking,并且在fe下所有Elist中任务均能在其截止期内完成,那么说明可以在保证任务截止期的条件下通过降低频率而降低硬件任务的整体功耗,所以此时算法返回ACCEPT;第13行如果任务即将或者已经错过最迟开始时间,那么此时函数返回REJECT,表示此任务被拒绝;第15行如果当前时刻没有合适的位置,但是任务仍没有到其最迟开始时间,表示在将来的时刻仍然可能获得任务所需资源,所以函数返回结果NULL。

算法1中第6行重新计算FPGA工作频率的算法如算法2所示,其中F是所有硬件任务工作频率值的集合。需要说明的是,同一时刻在FPGA运行的硬件任务的工作频率值必须相同,并且选择5作为FPGA频率的增量也是符合实际FPGA技术情况的。

(2) 算法2:选择最优的频率值作为FPGA的运行频率

步骤1: fscheduled,max=min(fi,min|Ti∈Elist)

步骤2: 对于F集合中的满足fmin≤f≤fscheduled,max的每个f值,计算:

选取使得计算步骤2中结果最小的f值作为FPGA的运行频率值,从而使得FPGA的总体功耗最低。

3 模拟实验及分析

由于当前并没有一个统一的基准用于评价可重构系统功耗相关的调度算法,因此采取了类似参考文献[2]中的模拟实验模型设计了离散时钟的模拟器,模仿实时系统中的时钟滴答以进行任务截止期的检查。然后设计随机任务生成器,生成分别含有1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000个Ti(fi,max,wi,ai,ci,ti,ei,fworking)的任务集,硬件任务的宽度和执行时间也是随机生成的。

假定目标器件为 Xilinx Virtex XCV1000,共 96列×64 行,其中可用于配置硬件任务的动态部分是80 列,其他用于操作系统进行通信和 I/O。模拟实验中采用的参数如下: 任务的最小宽度wmin=1,Nmax=80,任务的宽度范围wi为1~80;fmin=20 MHz,fmax=100 MHz,所以各个任务的可运行的最大频率fi,max∈[20,25,…,1 000];

任务在fi,max频率时的运行时间ti范围为100~1 000 ms。ei范围为20~200 mJ,ei的大小和任务宽度相关。到达时间范围0.5~500 ms,模拟器的时钟滴答设置为500 μs。分别模拟了采用ELST算法和EEHTS算法的任务集的总体运行时间和整体功耗,如图4和图5所示。从图4中可以看到,采用ELST算法的任务运行时间曲线要比采用EEHTS算法的低,这是因为只采用ELST算法时并不改变FPGA的运行频率,FPGA始终使用最高频率运行,显然这种方法的功耗会大于EEHTS算法,实验结果也证明了这点。如图5所示,EEHTS算法虽然牺牲了一些时间性能,但是硬件任务仍然可以在其截止期内完成,并且相对于ELST算法,硬件任务功耗大约降低了32%。

基于FPGA硬件平台的可重构系统调度算法详解

图4 总体运行时间

基于FPGA硬件平台的可重构系统调度算法详解

图5 总体任务功耗

结语

在嵌入式系统中,低功耗是非常重要的目标。本文通过对可重构系统中硬件任务调度算法的研究,在对硬件任务调度时加入了对功耗的考虑,动态改变硬件任务运行的频率,从而降低系统整体功耗。

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发表于 2018-07-03 14:06 311次阅读
关于基于Profibus-DP总线的位移传感器设...

FPGA在自动驾驶车内部发挥的重要作用详细资料概...

虽然每个人都希望宣示ASIC的所有权,但大部份最先进的处理都是以FPGA完成的,它让用户有机会在高效...

发表于 2018-07-03 10:34 877次阅读
FPGA在自动驾驶车内部发挥的重要作用详细资料概...

使用Xilinx Vivado设计套件创建一个...

Xilinx以制造 可编程门阵列(FPGA)而闻名,它是基于一个通过可编程接点连接的可配置逻辑块(C...

发表于 2018-07-03 10:19 85次阅读
 使用Xilinx Vivado设计套件创建一个...

基于FPGA的Cordic算法实现的设计与验证

本文是基于FPGA实现Cordic算法的设计与验证,使用Verilog HDL设计,初步可实现正弦、...

发表于 2018-07-03 10:18 67次阅读
基于FPGA的Cordic算法实现的设计与验证

如何设计超低待机,延长充电盒子的充电次数

无线耳机已经在市场上风云了超过10年,而且其取代有线耳机的趋势非常明显。 但是大多数传统的无线耳机只...

发表于 2018-07-03 09:47 784次阅读
如何设计超低待机,延长充电盒子的充电次数

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现...

随着信息技术的发展,特别是各种数字处理器处理速度的提高,人们对数据采集系统的要求越来越高,特别是在一...

发表于 2018-07-03 09:01 137次阅读
基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现...

数字图像水印的FPGA实现步骤

未加水印的图像表示为f水印表示为w,常数a控制水印和衬底图像的相对可见性。如果a为1,则水印是不透明...

发表于 2018-07-03 08:22 63次阅读
数字图像水印的FPGA实现步骤

Xilinx Zynq-7000系列:基于ARM...

该委员会专门设计用于与来自锡林克斯的PYNQ项目合作,并使用Python语言和库,设计师可以创建高性...

发表于 2018-07-03 08:17 84次阅读
Xilinx Zynq-7000系列:基于ARM...

介绍STM32CubeMX和X_CubeBLE开...

STM32CubeMX和X_CubeBLE开发低功耗蓝牙应用

发表于 2018-07-03 04:21 177次阅读
介绍STM32CubeMX和X_CubeBLE开...

清华大学魏少军教授:从IA到AI,我们还要走多远

清华大学魏少军教授指出,未来10年,人工智能和深度学习将成为提升硅片需求的主导因素。到2025年,人...

发表于 2018-07-02 18:10 973次阅读
清华大学魏少军教授:从IA到AI,我们还要走多远

新思科技公司宣布集成化混合原型验证解决方案

通过对新设计的功能使用Virtualizer虚拟原型技术和对重用逻辑使用基于FPGA的HAPS原型技...

发表于 2018-07-02 11:50 71次阅读
新思科技公司宣布集成化混合原型验证解决方案

“万能芯片”FPGA在深度学习领域的用法

而众所周知,在专用芯片与通用芯片中间,还有一个更为灵活,也更为神秘的领域:FPGA。无论是英特尔天价...

发表于 2018-07-02 07:59 270次阅读
“万能芯片”FPGA在深度学习领域的用法

Xilinx Spartan-6系列封装概述和管...

 Spartan-6系列具有低成本、省空间的封装形式,能使用户引脚密度最大化。所有Spartan-6...

发表于 2018-07-01 10:48 87次阅读
Xilinx Spartan-6系列封装概述和管...

FPGA简单门电路怎么实现?

verilog实现反相器,2输入与门、2输入或门、2输入与非门、2输入或非门、2输入异或门、2输入同...

发表于 2018-07-01 10:28 108次阅读
FPGA简单门电路怎么实现?

关于基于FPGA和ARM的虚拟软盘实现

随着硬件技术的进步,软盘逐渐被新的存储介质代替。但部分旧设备(比如织布机等)并不支持这些更快、容量更...

发表于 2018-06-29 14:26 329次阅读
关于基于FPGA和ARM的虚拟软盘实现

关于基于FPGA的HDMI多模式显示模块的设计

随着社会信息化程度的不断提高,人们对视频处理的要求越来越高,视频处理系统处理的数据量也越来越大。在嵌...

发表于 2018-06-29 14:13 359次阅读
关于基于FPGA的HDMI多模式显示模块的设计

关于基于FPGA的多模式数字匹配滤波器的设计与实...

数字匹配滤波器是直接序列扩频通信系统中的关键部件,可以通过编程实现接收端同步和解扩,提高通信系统数字...

发表于 2018-06-29 14:12 307次阅读
关于基于FPGA的多模式数字匹配滤波器的设计与实...

RAM分为简单双口RAM和真双口RAM

真双口RAM给设计带来很多便利。在高速存储中,需要对连续的数据同时处理,使用简单双口RAM只能读取一...

发表于 2018-06-29 08:54 976次阅读
RAM分为简单双口RAM和真双口RAM

Windows应用程序,操作系统,计算机硬件之间...

前面说过操作系统能很好的去操作底层硬件,但是不知道什么时候去操作和操作到了什么程度,这些都是由应用程...

发表于 2018-06-29 08:49 396次阅读
Windows应用程序,操作系统,计算机硬件之间...

解读LPC MCU在低功耗市场的竞争力(三)

低功耗是一个系统级挑战。不幸的是,没有一个功能能够解决这个挑战。借助LPC,我们将关注于在广泛的产品...

发表于 2018-06-28 18:49 217次阅读
解读LPC MCU在低功耗市场的竞争力(三)

为您解读LPC MCU在低功耗市场上的竞争力(二...

低功耗是一个系统级挑战。不幸的是,没有一个功能能够解决这个挑战。借助LPC,我们将关注于在广泛的产品...

发表于 2018-06-28 14:28 260次阅读
为您解读LPC MCU在低功耗市场上的竞争力(二...

LT3070:为FPGA和服务器应用设计的稳压...

采用低电压运作的新式 FPGA 和服务器对于细微的电源电压下降很敏感。这种压降可能是以下因素综合作用...

发表于 2018-06-28 12:13 281次阅读
 LT3070:为FPGA和服务器应用设计的稳压...

关于基于FPGA的可消除高频非线性的动态分频鉴相...

鉴相技术是电力电子系统和测试控制中的关键技术之一,在仪器仪表、通信、导航定位、研究网络相频特性和锁相...

发表于 2018-06-28 11:53 350次阅读
关于基于FPGA的可消除高频非线性的动态分频鉴相...

基于Xilinx 16nm Virtex Ult...

基于Xilinx 16nm Virtex UltraScale+ 器件VU9P的异构计算实例F3在阿...

发表于 2018-06-28 09:57 680次阅读
基于Xilinx 16nm Virtex Ult...

基于FPGA的图像加速解决方案

百度云云市场从产品、技术、客户资源等多渠道,开放资源与能力,引入第三方合作伙伴,与合作伙伴深度合作,...

发表于 2018-06-28 09:51 1093次阅读
基于FPGA的图像加速解决方案

介绍 SmartMesh IP 入门套件及使用...

SmartMesh IP 是一款支持 IPv6 的即用型、低功耗网格网络解决方案,其由凌力尔特公司的...

发表于 2018-06-28 06:14 211次阅读
 介绍 SmartMesh IP 入门套件及使用...

关于 LTM4643 的特性介绍与应用

LTM4643 是一款四输出降压型 μModule® (电源模块) 稳压器,该器件可配置为单输出 (...

发表于 2018-06-28 04:14 506次阅读
关于 LTM4643 的特性介绍与应用

FPGA系统中三种方式减少亚稳态的产生

在FPGA系统中,如果数据传输中不满足触发器的Tsu和Th不满足,或者复位过程中复位信号的释放相对于...

发表于 2018-06-27 10:11 121次阅读
FPGA系统中三种方式减少亚稳态的产生

FPGA设计的“三个代表”:Ultrafastd...

UFDM建议正确的HDL coding风格来满足目标器件,讨论时序约束和时序收敛。正确的IO约束,I...

发表于 2018-06-27 09:50 75次阅读
FPGA设计的“三个代表”:Ultrafastd...

便携式GNSS导航信号采集回放系统,可编写针对K...

该系统的监控端采用了基于CortexA8系列的ARM处理器,该处理器同时兼顾了成本与性能的要求,可设...

发表于 2018-06-27 09:15 91次阅读
便携式GNSS导航信号采集回放系统,可编写针对K...

关于FPGA的功耗评估需要知道些什么

项目设计初期会选型,工程师根据资源、IO、硬核、IP等选择对应型号的FPGA。功耗部分xilinx提...

发表于 2018-06-27 09:05 75次阅读
关于FPGA的功耗评估需要知道些什么

新一代SoC FPGA提供系统可信根,防止关键数...

物联网(IoT)的规模和复杂性不断上升,对主动的强化安全措施的需求日益增加。仅利用软件安全功能已经不...

发表于 2018-06-27 08:31 90次阅读
新一代SoC FPGA提供系统可信根,防止关键数...

FPGA需要跑多快?影响FPGA计算性能的几大因...

我们写软件程序的时候,习惯了给函数很多参数作为条件,根据参数内容执行函数的操作。FPGA做计算就不希...

发表于 2018-06-25 16:46 554次阅读
FPGA需要跑多快?影响FPGA计算性能的几大因...

为什么使用FPGA?FPGA为什么比GPU的延迟...

计算密集型任务的例子包括矩阵运算、图像处理、机器学习、压缩、非对称加密、Bing 搜索的排序等。这类...

发表于 2018-06-25 16:02 595次阅读
为什么使用FPGA?FPGA为什么比GPU的延迟...

如何为物联网设备选择低功耗微控制器

对于电池供电的互连设备而言,能耗是至关重要的,降低能耗可以最大程度地延长电池的更换时间,甚至让设备在...

发表于 2018-06-25 09:46 793次阅读
如何为物联网设备选择低功耗微控制器