張春麗，王薇

（四川財經(jīng)職業(yè)學(xué)院　四川 成都　610101）

多核嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計在通用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)條件下的方法研究

張春麗，王薇

（四川財經(jīng)職業(yè)學(xué)院四川 成都610101）

由于嵌入式系統(tǒng)的規(guī)格和各項功能越來越強大，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能夠滿足技術(shù)日益增長的需要。因此在通用互聯(lián)網(wǎng)的條件下，對多核嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計方法進行研究，具備了一定的積極意義。本文主要對目前多核系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行了闡述分析，并通過對其設(shè)計方法中涉及的多核技術(shù)、調(diào)度算法、數(shù)字濾波技術(shù)進行歸納比較，提升傳統(tǒng)的設(shè)計方法的效率，彌補傳統(tǒng)方法的不足。

通用互聯(lián)網(wǎng)；多核處理器；嵌入式系統(tǒng)；系統(tǒng)級設(shè)計

隨著嵌入式應(yīng)用的深入，通信行業(yè)對嵌入式不斷有了新的探索，也對處理器方面的使用提出了更高的要求，為了避免CPU溫度過高、功耗過大的情況出現(xiàn)，現(xiàn)今的嵌入式系統(tǒng)大多數(shù)采用的都是多核結(jié)構(gòu)的處理器，規(guī)模逐漸的增大，功能也越來越強大，基于互聯(lián)網(wǎng)的多核嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計成為了通信行業(yè)不斷探索和考慮的問題，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足對使用的需求，需要不斷探索新的方法來適應(yīng)日益壯大的需求。文中研究的是多核嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計在互聯(lián)網(wǎng)條件下的方法，并簡要介紹了一些核心技術(shù)和核心的算法，通過對各個指標的評估，對傳統(tǒng)方法進行優(yōu)化，提高設(shè)計的性能，因此本方法的研究對現(xiàn)今的設(shè)計具有一定的實際意義。

1　研究現(xiàn)狀

1.1多核操作系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，多核技術(shù)已經(jīng)成為了最受關(guān)注的話題和研究方向，在計算機通信行業(yè)為性能的提高開辟了新的方向，在單核處理器的研究當中，最重視的是提高頻率、并行速率等方面的內(nèi)容，在多核體系中，更加關(guān)注的問題是核與核之間的協(xié)作［1］，資源的共享、線程的并行度以及任務(wù)的調(diào)度。多核操作系統(tǒng)在現(xiàn)今的系統(tǒng)中具有更大的優(yōu)勢，也能夠更好的適應(yīng)信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。能夠有效的利用多核技術(shù)，開發(fā)適應(yīng)多核平臺的系統(tǒng)軟件，最大限度的利用多核系統(tǒng)成為現(xiàn)在主要研究和探索的問題。

1.2嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀

電子數(shù)字計算機誕生于1964年，自此信息產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，微處理的出現(xiàn)使得計算機發(fā)生了歷史性的變化，為了區(qū)別于原有的通用計算機，嵌入式系統(tǒng)從此誕生。嵌入式系統(tǒng)是完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計的專用計算機系統(tǒng)［2］，隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也獲得了廣闊的發(fā)展空間，數(shù)字時代為嵌入式市場展現(xiàn)了美好的前景［3］，現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于軍事、家用、工業(yè)、商業(yè)辦公等領(lǐng)域，在表現(xiàn)了高的技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，也體現(xiàn)出來超高的投資和商業(yè)價值，隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和信息化的加速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)市場必將進一步增長。

1.3研究意義

系統(tǒng)級設(shè)計是一種能夠解決嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性的一種的方法，它可以針對不同的計算模型進行劃分，從而實現(xiàn)設(shè)計空間探索和應(yīng)用實現(xiàn)，因此，多核嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計的方法研究具有很重大的現(xiàn)實意義，文中主要探討了一些相關(guān)的技術(shù)和算法，目的是在于能夠提升傳統(tǒng)的設(shè)計方法的效率，彌補傳統(tǒng)方法的不足，目前，單純依靠提高處理器的性能來提高系統(tǒng)實時性已經(jīng)不能夠滿足，必須探索新的方法，對其進行改進和優(yōu)化，這樣才能提高對互聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)的應(yīng)用效率。

2　多核嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計的方法

2.1總體說明

針對嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計，國內(nèi)外研究人員都有自己的理論和設(shè)計方法，Kienhuis首次提出了Y圖設(shè)計方法，但是Y圖設(shè)計方法里還存在著一定的不足，如何能夠?qū)⒂嬎?、以及通信巧妙的融合起來，降低吞吐率，提高總線的各項指標和水平成為了方法研究的一個主要內(nèi)容，需要融入一些創(chuàng)新的算法和方式，以能夠滿足系統(tǒng)級設(shè)計的各項指標和要求［4］。

Artisan庫，整套的標準單元庫包括版圖庫、版圖庫、電路邏輯等，整套的標準單元庫包括版圖庫、符號庫、電路邏輯庫等。包含了組合邏輯、時序邏輯、功能單元和特殊類型單元。是集成電路芯片后端設(shè)計過程中的基礎(chǔ)部分，標準單元庫用來為邏輯綜合及布局布線工具提供支持，導(dǎo)出GDSII文件，LEF文件，時序文件，電路邏輯和符號庫，標準單元庫中包括了嵌入式系統(tǒng)的部分內(nèi)容，所以能夠滿足建模和通用能力的要求。再通過探測點、優(yōu)化收斂算法完成優(yōu)化，實現(xiàn)在通用互聯(lián)網(wǎng)下的多核嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計。

2.2設(shè)計關(guān)鍵點

系統(tǒng)級設(shè)計最關(guān)鍵的部分是系統(tǒng)之中的分布、執(zhí)行和傳輸，而對于通用互聯(lián)網(wǎng)來說,明確互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)核也具有一定的意義，因為通用互聯(lián)網(wǎng)具有一定的異構(gòu)性，包括網(wǎng)絡(luò)差異性以及設(shè)備的差異性，其具有的主要工作原理如圖1所示［4］。

圖1　通用互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)核

在這個過程里最重要的是如何根據(jù)總線資源的占用情況獲得相應(yīng)的資源，并且實現(xiàn)在傳輸過程中的效率最大化。

3　核心技術(shù)及算法分析

3.1多核技術(shù)

多核體系結(jié)構(gòu)是目前為性能提高、節(jié)能計算等領(lǐng)域進行研究的一項重要技術(shù)。核與核之間的連接方式、任務(wù)調(diào)度策略、軟硬件協(xié)同設(shè)計策略等方面都在不斷地探索研究中逐步成熟。多核技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)研究、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計研究，以及操作系統(tǒng)的核心算法研究都將促進計算機行業(yè)的革新發(fā)展［1］。

多內(nèi)核是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎，多內(nèi)核也可以看成是一種CPU的集成技術(shù)，雖然集成在一起，但是每一個CPU在物理上還是單獨的CPU，與單核處理器比較來看，雖然在功能上具備了并行處理，性能和效率提高的優(yōu)勢，但是不免在體系結(jié)構(gòu)、軟件、功耗和安全性設(shè)計等方面也隨之而來具有了一定的挑戰(zhàn)，多核具有的優(yōu)勢是非常大的，首先多核處理器代表了計算機通信技術(shù)方面的一次創(chuàng)新，由于數(shù)字數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)的全球化［5］，多核處理器滿足了信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其具有不增加功耗而提高性能的優(yōu)勢；其次，多核處理器的使用能夠使核與核之間的通信提升一定的效率，減少反應(yīng)時間，降低延遲［6］；再次多核處理器的擴展性強，易于優(yōu)化和設(shè)計，這為嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計提供了非常大的強有力的支持［2］，那么嵌入式系統(tǒng)的多核處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　多核處理器結(jié)構(gòu)

未來，眾核處理器上將集成數(shù)百個處理器內(nèi)核，核與核之間的數(shù)據(jù)通信量將非常龐大。多核處理器的多個核心各自執(zhí)行自己的代碼，不同核間數(shù)據(jù)的共享與同步也需同時進行，核間的通信機制還用于多個進程或線程之間的數(shù)據(jù)通信以及多個處理器核之間的同步，對系統(tǒng)性能的要求更高［6］。

3.2調(diào)度算法

任務(wù)調(diào)度是多核處理器的存在的一個重要問題，全局隊列調(diào)度和局部隊列調(diào)度是比較常見的調(diào)度算法。全局隊列調(diào)度的優(yōu)點是CPU核心利用率高，而局部調(diào)度算法的優(yōu)點是任務(wù)的切換效率更高［1］。而在實時任務(wù)調(diào)度中，基于優(yōu)先級的實時調(diào)度算法最為常見，調(diào)度本質(zhì)上來講是對資源的分配，而實時更加注重的是效率，實時調(diào)度的分類方式有幾下幾種，如表1［7］所示。

表1　實時調(diào)度的分類方式

在基本互聯(lián)網(wǎng)的多核嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計的過程中，更建議使用改進的實時調(diào)度算法NSRL算法，這是嵌入式目前引進的相對科學(xué)合理的調(diào)度算法，他綜合考慮了各種因素對于優(yōu)先級的影響，并能夠最大可能的提高了利用效率，減小了資源的浪費。NSRL算法是在考慮了周期和重要程度之后，由給出的結(jié)論來確定任務(wù)的優(yōu)先級，充分利用系統(tǒng)資源，不但能夠保證大多數(shù)的任務(wù)圓滿的執(zhí)行，而對于相對重要的任務(wù)能夠進行一個隨時的調(diào)度，保證了系統(tǒng)能夠在有限的時間內(nèi)盡可能多的運行任務(wù)。

在充分考慮該算法的可實施性后，可以知道具體的算法如下［4］：

f（X）=f（X+ΔX）-f（X），那么其中變化了的距離為：

那么可以求出f（X）的梯度是：

綜合考慮限制條件：其中x1，…xn∈（1,N），并且x1不等于xn，那么可得到P的最小值為：

3.3數(shù)字濾波算法

數(shù)字濾波算法的發(fā)展是多元化的，根據(jù)每個不同的信號量有不同的數(shù)字濾波算法。但是每個數(shù)字濾波算都是一樣的，即系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)盡可能地接近信號量的真實值［8］。

在多核嵌入式系統(tǒng)之中，信號和脈沖的處理均由微機完成，而信號之中會存在一些噪聲和干擾因素是事實，所以這個時候就提出了一個定義，叫預(yù)處理。數(shù)字濾波算法就是一種預(yù)處理的算法，算法通過一定的程序，從而減少對正確信號的干擾，從而提高精度和準度［8］。數(shù)字濾波有一些基本的算法，比如程序判斷法，中位值濾波法，算術(shù)平均濾波法等。在這些算法之中，比較來看，最適合的是一階慣性濾波方法，慣性濾波又叫做低通濾波或者滯后濾波，適用于換面變化的隨機干擾信號。

一階低通濾波的算法公式為：Y（n）=aX（n）（1-a）Y（n-1）

公式中：a=濾波系數(shù)；X（n）=本次采樣值；Y（n）=本次濾波輸出值；Y（n-1）=上次濾波輸出值，一階低通濾波法得到有效的濾波值，從而使輸入輸出具有反饋作用。濾波系數(shù)越小，濾波結(jié)果越平穩(wěn)，但是靈敏度就會相應(yīng)的下降，所以說，濾波的平穩(wěn)性和靈敏度不能100%的全部兼顧，找到最大化的濾波系數(shù)就變的尤為重要。

而最大濾波系數(shù)的計算方法如下：

4　結(jié)束語

隨著計算機通信行業(yè)的不斷發(fā)展場，消費者的要求越來越高，基于多核技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品應(yīng)該向著高實時性、高效性、低功耗等方面發(fā)展。有效地利用多核技術(shù)，適應(yīng)多核技術(shù)的開發(fā)，對軟件開發(fā)者提出了更高的要求，正確地選擇程序執(zhí)行模型、更高效率地共享數(shù)據(jù)和通訊［1］都需作進一步研究。目前，多核處理器時代已經(jīng)是勢不可擋，基于互聯(lián)網(wǎng)的多核嵌入式系統(tǒng)級設(shè)計方法還在研究和探討之中，因此本文在這方面的研究與探索具有一定的實際價值。

［1］周磊.基于多核環(huán)境的并行下載系統(tǒng)研究開發(fā)［D］.西安:西安理工大學(xué),2010.

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［8］伍靈杰.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)字濾波算法的研究［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué),2010.

System level design of multi-core embedded in the implementation method under the conditions of the general internet network

ZHANG Chun-li，WANG Wei
（Sichuan Professional College of Finance and Economics，Chengdu 610101,China）

Due to the embedded system's specifications and functions are becoming more and more powerful,the traditional design method has not been able to meet the growing needs of technology.Therefore,it is of some positive significance to study the method of multi-core embedded system level design under the condition of general Internet.This paper mainly presents the analysis of the present situation of multi-core system,embedded system,and through multi-core technology involved in its design process,scheduling algorithms,digital filtering techniques are summarized compare,enhance efficiency of traditional design methods make up the traditional methods deficiencies.

universal Internet；multicore processor；embedded system；system level design

TN402

A

1674－6236（2016）13-0176-03

2015-06-30稿件編號：201506259

張春麗（1976—），女，陜西漢中人，碩士研究生，講師。研究方向：計算機教學(xué)改革、嵌入式系統(tǒng)。