异构多核可重构计算平台上面向服务的操作系统关键技术

Reconfigurable heterogeneous multicore system is one of the most important research directions in embedded systems. With the rapid development of reconfigurable technologies, it is now becoming possible and necessary to integrate operating systems on heterogeneous multicore computing platforms. However it still poses significant challenges to efficiently manage the diverse heterogeneous processing units and make full advantage of the reconfigurable platform. This research intends to introduce service-oriented concepts into the operating system design on reconfigurable heterogeneous multicore computing platforms, and establish a service-oriented operating system structure model. Then this research covers three aspects: 1) First, in order to improve the communication and synchronization efficiency, this research proposes a novel methodology in which different execution characteristic between software and hardware computing resources are considered in particular. As a consequence, the reconfigurable modules are capable of communicating with other processors actively. 2) Second, in order to reduce tasks scheduling overhead, this research presents a hierarchical scheduling algorithm, in which individual scheduling strategies are specially designed for heterogeneous processing units respectively. 3) Third, in order to alleviate the programming wall problem, this research intends to propose a service-oriented programming model, and thereby provides transparent programming interfaces and service specifications for programmers. Finally, the operating system proposed in this research will be verified and analyzed on real experimental reconfigurable platforms. This research is a novel attempt to combine state-of-the-art reconfigurable computing technologies with traditional operating system design paradigms, and has important theoretical significance and application value.

异构多核可重构系统是嵌入式系统的重要研究方向之一。可重构技术的快速发展，使在异构可重构计算平台上集成操作系统成为可能和必要。然而如何对异构资源进行有效管理，同时充分发挥可重构平台的优势已经给目前的操作系统研究带来了严峻的挑战。本课题拟将面向服务的概念引入异构多核可重构计算平台的操作系统设计中，建立面向服务的操作系统构造模型。为了提高通信和同步的效率，本课题拟基于软硬件计算资源的执行特征差异设计具有针对性的通信和同步机制。为了降低任务调度开销，本课题拟设计一种分级的调度算法，对异构处理单元上的任务采用不同的调度策略。为了缓解编程墙问题，本课题拟提出一种面向服务的编程模型，为程序员提供透明的编程接口。最后，本课题将在实际可重构平台上对提出的操作系统构造模型进行验证和分析。本课题的研究内容是一次将可重构计算技术与传统操作系统相结合的崭新尝试，具有重要的理论意义和应用价值。

针对异构可重构资源的计算特征提供有效的抽象和管理是构建异构多核可重构计算平台上操作系统所需解决的核心问题。本课题以提升异构多核可重构计算系统的性能、可扩展性、可剪裁性为目标，通过引入面向服务的思想，结合体系结构和操作系统理论，在建立面向服务的操作系统构造模型的基础上，围绕操作系统中的通信与同步机制、调度算法和编程模型等问题进行深入研究。. 本课题的主要研究内容包括以下四个方面：1、针对异构可重构计算资源的面向服务的操作系统构造模型研究。2、系统软硬件服务体间的通信与同步机制。3、支持动态重构的任务级、指令级调度算法研究。4、支持软硬件服务有效并行的并行编程模型研究。. 针对以上研究内容，本课题取得的研究成果主要包括：1、我们设计了面向服务的操作系统构造模型，并针对异构可重构平台的系统结构特点提出了操作系统中任务和资源的抽象方法。2、针对系统中不同种类服务体的计算、通信模式，我们设计了硬件任务间接访存通信与同步方案、硬件任务直接访存通信与同步方案、多计算单元共享访存通信与同步方案，以适应平台的不同计算要求。3、我们设计了一种基于Tomasulo算法的任务级并行调度算法MP_Tomasulo以消除任务间相关，提高任务并发度。此外，我们对MP_Tomasulo进行了硬件级设计，以降低调度开销。4、针对异构多核计算平台的指令级并行，我们基于可重构超长指令字处理器设计了指令发射宽度和数据Cache的运行时重构策略，提高指令执行并发度。5、针对计算平台中资源的多样性和多变性特点，我们提出了面向服务的Pthread编程模型，以缓解编程墙问题。在以上研究成果的基础上，我们针对当前典型大数据应用设计了原型硬件加速系统，相较通用CPU取得了12-38倍的加速比，从而有效验证了本课题研究成果的可靠性、适用性和可扩展性。. 基于本课题的支持，我们共发表科技论文63篇，包括24篇期刊论文和39篇国际会议论文，其中SCI收录15篇，EI收录45篇。申请国家发明专利6项。