基于NIOS II多處理機(jī)技術(shù)的的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理研究

1 SOPC的嵌入式開發(fā)技術(shù)概述

　　這些年以來(lái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期，這種快速發(fā)展給人們帶來(lái)了極大便捷，但并且也帶來(lái)了數(shù)據(jù)信息在處理、存儲(chǔ)、傳輸和應(yīng)用時(shí)，容易被竊取和篡改等難題。現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）數(shù)據(jù)安全辦理，有多種方法可用于網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）安全協(xié)議處理，常用的大抵分成ASIC（Application Specific Integrate

　　d Circuit）和可編程方法兩類。ASIC方法是系統(tǒng)完全由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其特征是速度快，本錢高，純軟件方式性能低，存在一定的安全隱患，并且?guī)缀鯖](méi)有靈活性和可擴(kuò)展性，必要很高本錢和較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)時(shí)間；可編程方法主要有兩種類型：NP（Network Processor）和FPGA（Field Programmable Gate Array），NP提供的是以處理器為中心的可編程本領(lǐng)，而FPGA提供的是以硬件為中心的可編程本領(lǐng)。NP方法應(yīng)用RISC處理器結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）數(shù)據(jù)包處理。支持這一方法的器件稱為網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）處理器，并且是軟件可編程的。NP包括多個(gè)優(yōu)化的嵌入式RISC CPU，以提供可編程本領(lǐng)和用于通用數(shù)據(jù)包處理功能。其設(shè)計(jì)理念是應(yīng)用硬件電路處理數(shù)據(jù)包的分類和修改，而應(yīng)用RISC引擎進(jìn)行上層辦理。NP中的多處理器引擎配置成不一樣的架構(gòu)以優(yōu)化關(guān)鍵的路徑延遲，在配置每個(gè)RISC引擎時(shí)，使得專用的RISC引擎不可以再以高級(jí)語(yǔ)言編程，從而迫應(yīng)用戶應(yīng)用微代碼/匯編語(yǔ)言，并且削弱了提供靈活性和時(shí)間優(yōu)勢(shì)這一網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）處理器面臨的根本基礎(chǔ)，應(yīng)用起來(lái)非常麻煩。對(duì)于SOPC（System On Programmable Chip）嵌入式開發(fā)技術(shù)的FPGA方法，具有高度并行邏輯結(jié)構(gòu)的可編程器件，可提供由用戶自定義的性能和靈活性組合，對(duì)任何高速并行數(shù)據(jù)處理都非常抱負(fù)。FPGA內(nèi)部可以嵌入RISC軟核，應(yīng)用FPGA內(nèi)部的硬件可編程特性，和很強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展本領(lǐng)，大幅度地提升系統(tǒng)性能。由于FPGA沒(méi)有內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）處理功能，用戶可經(jīng)過(guò)在FPGA內(nèi)增加網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）系統(tǒng)所要求的特性，應(yīng)用硬件描述語(yǔ)言（HDL）、知識(shí)（知識(shí)是人類生產(chǎn)和生活經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)）產(chǎn)權(quán)核心（IP）和C語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行硬件編程。SOPC為網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）安全協(xié)議的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)極靈活的處理方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃）。應(yīng)用FPGA器件，可以在單片器件內(nèi)集成范圍廣泛的硬和軟IP核，此中的硬件和固件具有可升級(jí)本領(lǐng)。SOPC的嵌可編程本領(lǐng)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，使單個(gè)FPGA處理方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃）更適用于設(shè)計(jì)需求，可以在整個(gè)開發(fā)周期中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并且還為硬件和軟件設(shè)計(jì)提供了靈活、方便的方法，需要成為今后網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。

　　2 多處理器系統(tǒng)處理方案

　　在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）協(xié)議、暗碼算法處理的方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃）主要有ASIC、NP、FPGA、純軟件方式等，其系統(tǒng)內(nèi)部一般為有一個(gè)CPU，每一個(gè)時(shí)刻CPU只能執(zhí)行一條指令。該系統(tǒng)內(nèi)部既然可以采用并行技術(shù)，如指令流水線、多個(gè)ALU單元和專用的協(xié)處理器等，但這些并行技術(shù)只能提升次序程序的指令執(zhí)行速度，它無(wú)法提供進(jìn)程級(jí)、作業(yè)級(jí)的并行性。采用多處理器、多指令多數(shù)據(jù)流（MIMD）系統(tǒng)，可以提供高級(jí)并行性，它經(jīng)過(guò)并行處理實(shí)現(xiàn)最大的效率與功能，高級(jí)并行不但可以是多個(gè)處理器并且操縱，并且并且還能夠是多個(gè)程序（進(jìn)程）在同一時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行。在具體的實(shí)現(xiàn)上可以是多處理器，多計(jì)算機(jī)、也可以將多處理器系統(tǒng)作為多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一種混合的多處理機(jī)。MIMD實(shí)現(xiàn)方式與曾經(jīng)的SISD（單指令流單數(shù)據(jù)流）實(shí)現(xiàn)方式相比，增加了單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)流，它經(jīng)過(guò)卸載單個(gè)處理器任務(wù)的策略來(lái)提升系統(tǒng)整體性能，經(jīng)過(guò)根據(jù)任務(wù)的分類來(lái)組織任務(wù)執(zhí)行，將不一樣類型的任務(wù)放在不一樣的CPU中執(zhí)行，任務(wù)間的協(xié)調(diào)是經(jīng)過(guò)共享存儲(chǔ)器中的公共變量或Send/Receive操縱原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)中給每個(gè)CPU分配了特定的任務(wù)，在這些任務(wù)中，大概會(huì)存在對(duì)特定I/O設(shè)備的訪問(wèn)，降低CPU對(duì)每個(gè)外部設(shè)備的訪問(wèn)要求。MIMD在硬件架構(gòu)上更適于用多處理機(jī)實(shí)現(xiàn)，可以經(jīng)過(guò)共享的存儲(chǔ)器在不一樣的CPU上實(shí)現(xiàn)不一樣的專有任務(wù)，并且根據(jù)系統(tǒng)級(jí)任務(wù)進(jìn)行分類，它提供了更高級(jí)別的并行性，將相關(guān)的任務(wù)放在同一CPU內(nèi)執(zhí)行，由各CPU之間并行地完成系統(tǒng)級(jí)任務(wù)，從一定程度上降低了進(jìn)程間因互相遷移而造成的通信時(shí)間，系統(tǒng)級(jí)的任務(wù)大概要求CPU可以訪問(wèn)每個(gè)外部設(shè)備，要求相關(guān)任務(wù)在每個(gè)CPU執(zhí)行的等效性，要求每個(gè)CPU有等同的硬件架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)任務(wù)的邏輯分組，更高效的發(fā)揮處理本領(lǐng)，可以以較低的時(shí)鐘頻率和功耗實(shí)現(xiàn)較高的性能。多處理機(jī)中共享的存儲(chǔ)器經(jīng)過(guò)ICN（互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的））被所有的CPU共享，其ICN的實(shí)現(xiàn)方式將決定多處理器的個(gè)數(shù)及系統(tǒng)性能，當(dāng)采用總線方式時(shí)，其處理器的個(gè)數(shù)一般不超過(guò)4個(gè)，當(dāng)采用交叉開關(guān)的方式時(shí)可擴(kuò)展到####個(gè)。MIMD系統(tǒng)中多計(jì)算機(jī)架構(gòu)為系統(tǒng)級(jí)并行提供了方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃），而多處理機(jī)為任務(wù)級(jí)并行提供了方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃），經(jīng)過(guò)并行處理實(shí)現(xiàn)最大的效率與功能，并行不但指多個(gè)處理器并且操縱，并且指多個(gè)程序（進(jìn)程）在同一時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行。它靈活的方式可以克服SISD系統(tǒng)中CPU大量頻繁的數(shù)據(jù)操縱所消耗大量CPU等待時(shí)間，系統(tǒng)由多個(gè)SU（System Unit）單元構(gòu)成，系統(tǒng)可以并行地處理N個(gè)系統(tǒng)級(jí)任務(wù)，SU提供系統(tǒng)級(jí)功能，主要完成網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）協(xié)議、暗碼算法處理功能，由TU（Task Unit）任務(wù)單元提供比力單一的任務(wù)功能，如TU0完成網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）協(xié)議，TU1完成暗碼算法。混合方式為系統(tǒng)并行性提供了更多的組合方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃），整個(gè)系統(tǒng)可以集成更多的SU單元，SU單元又可以集成更多的TU單元，分層級(jí)連的方式擴(kuò)容了系統(tǒng)的集成本領(lǐng)，極大地提升了系統(tǒng)的并行性。

　　3 對(duì)于NiosII的嵌入式網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）安全實(shí)現(xiàn)的技術(shù)主要有關(guān)到主機(jī)安全技術(shù)、身份認(rèn)證、訪問(wèn)控制、安全傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)加密、防火墻、安全審計(jì)等技術(shù)，此中網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）數(shù)據(jù)傳輸是基礎(chǔ)，數(shù)加密技術(shù)是核心?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）安全協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上大多采用了單處理器系統(tǒng)（無(wú)法提供進(jìn)程級(jí)、作業(yè)級(jí)的并行性）、并且嵌入式系統(tǒng)中系統(tǒng)的時(shí)鐘提升空間在時(shí)間上日趨飽和，系統(tǒng)在軟件上需求也越來(lái)越復(fù)雜，應(yīng)用需求也越來(lái)越多，對(duì)于單CPU的設(shè)計(jì)方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃）無(wú)法適應(yīng)這樣日益復(fù)雜的必要。所以，引入多處理機(jī)成為一種必然。對(duì)于NiosII的可擴(kuò)展多處理器方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃），較好地處理了CPU之間信息高效交互、緩沖區(qū)一致性、任務(wù)劃分、系統(tǒng)集成度等相關(guān)系列難題。NiosII是Nios的第二代產(chǎn)品，其速度更快、資源占用更少，僅保存了32位模式。NiosII是32位RISC嵌入式處理器，其性能可以超過(guò)200MIP，由于是軟核處理器，具有較高的靈活性，在嵌入式系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)從硬件、軟件、性能、編譯環(huán)境等多個(gè)方面對(duì)處理器，網(wǎng)卡芯片的類型、實(shí)現(xiàn)方式等硬件整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。NiosII IDE（集成開發(fā)環(huán)境）是NiosII嵌入式系統(tǒng)的基本軟件開發(fā)工具，所有的軟件開發(fā)任務(wù)都需要在NiosII IDE下完成，包括編輯、編譯和調(diào)試程序。嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)可分為應(yīng)用程序開發(fā)和驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)兩部分。NiosII IDE為用戶提供了設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，這便是硬件抽象層（HAL）系統(tǒng)庫(kù)，用戶只要應(yīng)用HAL提供的各種函數(shù)就可以編寫應(yīng)用程序，HAL系統(tǒng)庫(kù)在NiosII IDE中創(chuàng)建一個(gè)新的工程時(shí)，由IDE智能化生成。NiosII IDE是和SOPC Builder緊密相關(guān)的，假設(shè)硬件配置有了變化，HAL設(shè)備驅(qū)動(dòng)配置也會(huì)自動(dòng)隨之變動(dòng)，從而避免了由于底層硬件的變化而產(chǎn)生的編程錯(cuò)誤。NiosII IDE也為用戶自動(dòng)創(chuàng)建和辦理HAL系統(tǒng)庫(kù)文件提供了極大的方便，用戶不用創(chuàng)建或拷貝HAL文件，也不用編輯HAL中的任何源代碼。對(duì)于NiosII的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，必要應(yīng)用Altera公司的SOPC開發(fā)環(huán)境，它主要由由三個(gè)部分組成組成：IP庫(kù)（NiosII處理器，Avlon總線，外圍設(shè)備接口等），SOPC Builde開發(fā)工具，IDE軟件編譯器。其開發(fā)整個(gè)過(guò)程主要有：首先確定系統(tǒng)的需求，如應(yīng)用系統(tǒng)必要的計(jì)算機(jī)性能、帶寬和吞吐量、接口類型和是否必要多線程的軟件等。然后進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，應(yīng)用Altera提供的IP庫(kù)，在SOPC Builde中添加必要的功能模塊，生成一個(gè)NiosII系統(tǒng)模塊，最后在Quartus中編譯生成軟件，完成軟件設(shè)計(jì)。在NiosII IDE軟件開發(fā)環(huán)境中，用戶并且還能夠根據(jù)必要編寫自定義設(shè)備的操縱流程、操縱系統(tǒng)的移植、相應(yīng)的應(yīng)用代碼等。

　　4 結(jié)束語(yǔ)與展望

　　筆者針對(duì)嵌入式系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）安全協(xié)議實(shí)現(xiàn)方上，對(duì)SOPC技術(shù)進(jìn)行了闡述，提出了多處理器系統(tǒng)處理方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃）和了對(duì)于NiosII的軟、硬聯(lián)合的雙核的網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）數(shù)據(jù)處理處理方案（進(jìn)行工作的具體計(jì)劃或?qū)δ骋粏?wèn)題制定的規(guī)劃）。這種對(duì)于SOPC技術(shù)、NIOS－II多處理機(jī)的網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）數(shù)據(jù)處理方法將成為今后網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展的方向。