利用Java良好的移植特性的FPGA可編程嵌入式系統

傳統的嵌入式產品只能實現某種特定的功能，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，以實現系統對多種本地應用和網絡的支持。

　　1. 概述

　　傳統的嵌入式系統設計的主要目標是找到一種優化的體系結構來完成單一的，特定的功能。對這樣的系統來說，ASIC和核心處理器是作為特別的構件模塊加以考慮的：設計者根據應用的要求選擇適當的ASIC，根據給定的性能要求比如處理器主頻，系統穩定性，以及對功耗的要求等選用適當的處理器內核。

　　然而，在當今移動通信已經進入每個人的生活的今天，現在的嵌入式系統比如PDA等已經不同于傳統意義上的嵌入式系統了，它們有自己的獨特特點。客觀需要要求它們能夠支持多種應用功能如網頁瀏覽，播放音頻/視頻文件，以及進行無線網絡通信等。

　　這樣看來，傳統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的需求。而解決這一問題的良好途徑便是向嵌入式系統引入可編程能力，以使得系統能夠根據用戶的不同要求實現對不同應用的支持。

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

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

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

　　從嵌入式系統管理的角度來說，對網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，它能夠下載并執行新的應用程序代碼，并且無需在下載后重新啟動系統。

　　綜上所述，這個新的嵌入式系統是基于Java的，有一個FPGA和標準處理器相連。我們通過網絡下載Java代碼和可以對FPGA進行編程的比特流。該系統也支持對FPGA的動態重新配置。為了實現硬件(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(Java method)用FPGA可編程硬件來實現，稱之為硬件方法(HW method)。

　　2. 系統設計

　　實現一個Java函數功能的對應的硬件方法實現的邏輯結構圖如圖1所示。

　　輸入緩存和輸出緩存分別用來接收輸入參數和存儲輸出結果。控制緩存用于對硬件方法的控制和檢測，比如向硬件方法發出啟動指令，檢查其所處的狀態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是該嵌入式系統的硬件平臺，由一個標準處理器，一個FPGA和一個系統存儲單元構成。它們之間通過共享的系統總線連接在一起。

　　當處理器向一個硬件方法發出讀寫操作指令時，該硬件方法在其自己的地址解碼器的幫助下向數據總線上發送對應的響應信號。在這里，我們可以認為是處理器發起的硬件/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。

　　通過系統管理器，可以從遠程服務器下載Java應用程序。系統管理器主要實現了下面3種協議：