基于Java的FPGA可編程嵌入式系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品只能實現(xiàn)某種特定的功能，不能滿足用戶可變的豐富多彩的應用需求。為解決這個問題，本文設計并實現(xiàn)了一種使用Java作為軟件平臺的基于FPGA的可編程嵌入式系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)對多種本地應用和網(wǎng)絡的支持。

　　1. 概述

　　傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計的主要目標是找到一種優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)來完成單一的，特定的功能。對這樣的系統(tǒng)來說，ASIC和核心處理器是作為特別的構(gòu)件模塊加以考慮的：設計者根據(jù)應用的要求選擇適當?shù)腁SIC，根據(jù)給定的性能要求比如處理器主頻，系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及對功耗的要求等選用適當?shù)奶幚砥鲀?nèi)核。

　　然而，在當今移動通信已經(jīng)進入每個人的生活的今天，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)比如PDA等已經(jīng)不同于傳統(tǒng)意義上的嵌入式系統(tǒng)了，它們有自己的獨特特點?？陀^需要要求它們能夠支持多種應用功能如網(wǎng)頁瀏覽，播放音頻/視頻文件，以及進行無線網(wǎng)絡通信等。

　　這樣看來，傳統(tǒng)的設計思路因為只面向單一的應用，無法滿足多應用嵌入式系統(tǒng)的需求。而解決這一問題的良好途徑便是向嵌入式系統(tǒng)引入可編程能力，以使得系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的不同要求實現(xiàn)對不同應用的支持。

　　為了向系統(tǒng)中引入可編程能力，我們考慮在系統(tǒng)中嵌入FPGA，因為FPGA具有下列特點，使得它成為我們的首選：

　　1.現(xiàn)在的FPGA的處理能力和邏輯容量已經(jīng)接近于專用ASIC，功耗也比較低，能夠滿足我們系統(tǒng)設計的要求;

　　2.由于FPGA具有的可重編程能力，使用了FPGA的嵌入式系統(tǒng)能夠滿足各種不同的應用要求;

　　從嵌入式系統(tǒng)管理的角度來說，對網(wǎng)絡通信的支持也是很有必要的，也是很有特色的一個應用，因為它使得從遠端服務器下載新的應用程序并在本地運行成為可能。為實現(xiàn)對這個功能的支持，我們采用Java作為軟件平臺。因為Java運行在Java虛擬機之上，它能夠下載并執(zhí)行新的應用程序代碼，并且無需在下載后重新啟動系統(tǒng)。

　　綜上所述，這個新的嵌入式系統(tǒng)是基于Java的，有一個FPGA和標準處理器相連。我們通過網(wǎng)絡下載Java代碼和可以對FPGA進行編程的比特流。該系統(tǒng)也支持對FPGA的動態(tài)重新配置。為了實現(xiàn)硬件(FPGA)和軟件(Java應用程序代碼)之間的通信，又定義了一組本地API，以使得從Java應用層能夠訪問到底層的硬件。為了調(diào)用這些本地API，采用了Java本地接口(JNI)。在本文中，將一些Java函數(shù)(Java method)用FPGA可編程硬件來實現(xiàn)，稱之為硬件方法(HW method)。

　　2. 系統(tǒng)設計

　　實現(xiàn)一個Java函數(shù)功能的對應的硬件方法實現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　輸入緩存和輸出緩存分別用來接收輸入?yún)?shù)和存儲輸出結(jié)果?？刂凭彺嬗糜趯τ布椒ǖ目刂坪蜋z測，比如向硬件方法發(fā)出啟動指令，檢查其所處的狀態(tài)并判斷操作是否完成等。該模塊中的所有緩存都映射到處理器物理地址空間中，處理器可以使用正常的讀寫指令完成對這些緩存的訪問。

　　圖2是該嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，由一個標準處理器，一個FPGA和一個系統(tǒng)存儲單元構(gòu)成。它們之間通過共享的系統(tǒng)總線連接在一起。

　　當處理器向一個硬件方法發(fā)出讀寫操作指令時，該硬件方法在其自己的地址解碼器的幫助下向數(shù)據(jù)總線上發(fā)送對應的響應信號。在這里，我們可以認為是處理器發(fā)起的硬件/軟件通信指令，而FPGA則是作為一個從屬單元做出回應。因為在處理器發(fā)起初始指令后，就由可配置管理器來負責管理FPGA編程。這樣一來，就實現(xiàn)了處理器和FPGA的并行運行。

　　如圖3所示，我們選擇Java作為軟件平臺，并且裝載了一個嵌入式操作系統(tǒng)為Java實時應用程序提供基本的服務，比如線程和其它硬件管理等。

　　通過系統(tǒng)管理器，可以從遠程服務器下載Java應用程序。系統(tǒng)管理器主要實現(xiàn)了下面3種協(xié)議：