CN104866460A - 一种基于SoC的容错自适应可重构系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SoC的容错自适应可重构系统与方法，系统包括多个完全相同的SoC平台和连接SoC平台的通信网络；所述的多个SoC平台中任意一个SoC平台作为主控器,其它SoC平台形成多级流水线处理系统；所述的流水线处理系统的每一级包括一个或多个SoC平台。本发明提供了一种基于SoC的容错自适应可重构系统与方法，根据任务特点划分任务，并根据划分的结果构建嵌入式系统架构，实现多级流水，达到加速效果，解决现有可重构系统模型复杂，自动化程度低的问题，同时，也可以解决单个SoC平台资源不足的问题，实现了系统的流水设计，并且该系统还具有该系统具有容错、自适应的特点。

Description

一种基于SoC的容错自适应可重构系统与方法

技术领域

本发明涉及一种基于SoC的容错自适应可重构系统与方法。

背景技术

可重构嵌入式系统充分利用通用处理器和ASIC技术的优势，可以通过硬件加速提高运算速度，同时使用软件编程实现动态配置及任务划分，目前成已为研究的热点；正是由于可重构嵌入式系统的这一特点，使它非常适用于计算密集型的大数据量处理任务；在可重构技术应用中，一方面需要根据特定的应用需求，对可重构结构进行优化，另一方面需要考虑可重构系统的自动化设计，即根据应用需求完成任务的自动划分；然而，现有的可重构系统编程模型复杂，自动化程度较低，难以满足可重构技术应用的需求。

SoC（System on Chip），中文名称片上系统，是由多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上形成的系统，其中包含了完整的硬件系统及其承载的嵌入式软件；目前，SoC产品可以实现多处理器异构，并且可以给适当的任务分配适当的引擎，做到更高的系统集成度和智能化操作；比如，在一片FPGA中可以集成微处理器和数字信号处理功能，处理器与FPGA之间通过总线互联，可以通过软硬件协同工作模式，提高系统性能；正是由于SoC技术发展，结合SoC产品特性，可以根据任务需求，对任务自动划分，并根据划分后的子任务特点分配给软件处理或者硬件加速，实现一个动态可重构的嵌入式系统。

另外，现有的可重构系统硬件架构是固定的，一旦硬件设备中的小部分出错，则整个系统不能正常工作；不具有容错、自适应能力，目前很多通信网络及通信接口均支持热插拔技术，因此，可以借助该技术，充分利用SoC平台，构建具有容错、自适应能力的可重构嵌入式系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于SoC的容错自适应可重构系统与方法，根据任务特点划分任务，并根据划分的结果构建嵌入式系统架构，实现多级流水，达到加速效果，解决现有可重构系统模型复杂，自动化程度低的问题，同时，也可以解决单个SoC平台资源不足的问题，实现了系统的流水设计，并且该系统还具有该系统具有容错、自适应的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于SoC的容错自适应可重构系统，包括多个完全相同的SoC平台和连接SoC平台的通信网络；

所述的多个SoC平台中任意一个SoC平台作为主控器,其它SoC平台形成多级流水线处理系统；所述的多级流水线处理系统的每一级包括一个或多个SoC平台；所述的主控器能够实时检测每个SoC平台是否出错；

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统能够根据需要加入新的SoC平台或者去除SoC平台，并且在新的SoC平台或者去除SoC平台后能够自动重新构建多级流水线处理系统。

所述的SoC平台包括ARM、DSP、FPGA、外围设备、片内RAM、存储控制器和总线，所述的ARM、DSP、FPGA、外围设备、片内RAM和存储控制器分别与总线连接；

所述的ARM中包括操作系统，用于完成FPGA及DSP的配置、任务调度及数据流向控制和通过以太网与其他SoC平台进行通信完成数据交互；

所述的DSP用于负责运算量大的具体运算任务；

所述的FPGA用于实现专用模块的硬件加速；

所述的片内RAM和存储控制器用于负责任务处理中数据存储；

所述的外围设备用于实现用户定制，根据需求实现不同的外围设备；

所述的总线包括用于实现SoC内部控制的控制总线和用于进行数据交换的数据总线。

所述的通信网络为以太网通信网络系统；所述的SoC平台为集成的SoC板。

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，包括以下步骤：

S1.构建所述的动态可重构嵌入式系统，完成各个SoC平台的初始化，并选定其中任意一个SoC平台作为主控器；

S2.主控器创建任务,根据任务特点进行任务划分得到多个子任务,并根据子任务的特点将自身以外的SoC平台构建成为多级流水线处理系统，子任务的个数和多级流水线处理系统的级数相同，每个子任务对应于一级流水线处理系统；

S3.主控器将划分好的子任务处理命令发送给每一级流水线处理系统，并将待处理的任务数据发送给第一级流水线处理系统；

S4.每一级流水线系统根据子任务命令对任务数据进行处理，处理完成后送入下一级流水线处理系统；

S5.当运算数据送入最后一级流水线处理系统时，最后一级流水线处理系统对任务数据进行处理后，判断是否满足迭代结束的条件：

（1）满足条件时，将任务数据处理结果发送给主控器，并向主控器反馈任务结束的信号；

（2）不满足条件时，最后一级流水线处理系统将任务数据处理结果送入第一级流水线处理系统，并跳转至步骤S4再次进行流水线处理。

所述的步骤S2中的每一级流水线处理系统包括一个或多个SoC平台，SoC平台个数由主控器分配给该级流水线处理系统的子任务数据量和数据的独立性决定，如果该级流水线处理系统需要处理数据量大且数据间具有独立性，该级流水线处理系统就采用多个SoC平台来共同完成数据处理任务。

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法还包括一个SoC平台增加步骤：系统运行过程，能够根据需要加入新的SoC平台，在加入新的SoC平台后，主控器根据目前任务划分结果及子任务运算量，给新加入的SoC平台分配相应的子任务，即将新加入的SoC平台分配到对应的一级流水线处理系统中。

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法还包括一个SoC平台去除步骤:系统运行过程中，能够根据需要去除SoC平台，SoC平台去除后，对系统的处理分为以下两种情况：

(1)若去除的SoC平台不是主控器，则主控器更新注册表，并重新构建多级流水线处理系统；

(2)若去除的SoC平台是主控器，则选择第一级流水线处理系统中的SoC平台作为主控器，并更新注册表，重新构建多级流水线处理系统；

SoC平台的去除包括对SoC平台进行出错隔离和人为地删除SoC平台。

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，还包括一个出错检测步骤：系统运行过程中，主控器实时对每一个SoC平台进行检测：

（1）当所有的SoC平台没有出错时，系统继续正常工作；

（2）当有SoC平台出错时，主控器对出错的SoC平台进行标记和出错隔离，出错隔离SoC平台不再工作，相当于从系统中去除。

在用户需要处理多个任务时，分为以下两种情况：

（1）部分任务或者全部任务需要进行迭代时，主控器在创建一个任务之后，只有在收到最后一级流水线处理系统反馈的任务结束的信号时，才会创建下一条任务，并发送给多级流水线处理系统进行处理；

（2）所有任务的处理都不需要迭代时，所述的主控器能够根据用户的需要不断创建新的任务，并将任务不断发送给第一级流水线处理系统，每一级流水线处理系统按照先进先出的原则对数据进行处理，并在最后一级流水线系统对数据进行处理后，直接将处理结果发送给主控器。

所述的每一级流水线处理系统在对数据的处理过程中，可以根据子任务的特点选择是SoC平台内的FPGA或者是DSP完成任务运算。

本发明的有益效果是：（1）降低成本：可以使用多个低成本的SoC板，实现较高的运算能力，达到高价单板的效果。

（2）提高运算速度：任务划分后，实现多级流水并行处理，并且根据划分后的任务特点分配给FPGA或者DSP运算，达到加速效果。

（3）系统架构可重构：多个SoC平台之间通过以太网连接，SoC平台是相同的，每个SoC平台均可以作为主控器，根据任务特点及任务划分结果构建多级流水任务处理流程，在完成该任务后，可以在需要的情况下，根据下一个任务特点，创建新的任务处理系统架构。

（4）可扩展性好：由于SoC平台是通过以太网连接进行数据交换，新的SoC平台接入，只需要在设定的主控器进行注册更新就可以分配任务。

（5）具有容错性：在系统运行中，如果某个或者多个SoC平台出错后，主控器检测到出错的SoC平台并进行标记，然后统计剩余正常运行的SoC平台，重新构建嵌入式系统，解决SoC平台出错后影响系统工作的问题。

（6）具有自适应性：该系统支持热插拔，可以在线新加或者去除SoC平台；对于新加的SoC平台，主控器检测并注册该SoC平台信息；对于去除的SoC平台，主控器检测并删除该平台的注册信息，然后，对于变更后的重新构建多级流水线处理系系统，分配任务。

附图说明

图1为本发明系统的原理结构框图；

图2为本发明SoC平台的结构示意图；

图3为本发明的方法流程图；

图4为实施例一的示意图；

图5为实施例二的示意图；

图6为实施例三的示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于SoC的容错自适应可重构系统，包括多个完全相同的SoC平台和连接SoC平台的通信网络；

所述的多个SoC平台中任意一个SoC平台作为主控器,其它SoC平台形成多级流水线处理系统；所述的多级流水线处理系统的每一级包括一个或多个SoC平台；所述的主控器能够实时检测每个SoC平台是否出错；

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统能够根据需要加入新的SoC平台或者去除SoC平台，并且在新的SoC平台或者去除SoC平台后能够自动重新构建多级流水线处理系统。

如图2所示，所述的SoC平台包括ARM、DSP、FPGA、外围设备、片内RAM、存储控制器和总线，所述的ARM、DSP、FPGA、外围设备、片内RAM和存储控制器分别与总线连接；

所述的ARM中包括操作系统，用于完成FPGA及DSP的配置、任务调度及数据流向控制和通过以太网与其他SoC平台进行通信完成数据交互；

所述的DSP用于负责运算量大的具体运算任务；

所述的FPGA用于实现专用模块的硬件加速；

所述的片内RAM和存储控制器用于负责任务处理中数据存储；

所述的外围设备用于实现用户定制，根据需求实现不同的外围设备；

所述的总线包括用于实现SoC内部控制的控制总线和用于进行数据交换的数据总线。

所述的通信网络为以太网通信网络系统；所述的SoC平台为集成的SoC板。

如图3所示，所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，包括以下步骤：

S1.构建所述的动态可重构嵌入式系统，完成各个SoC平台的初始化，并选定其中任意一个SoC平台作为主控器；

S2.主控器创建任务,根据任务特点进行任务划分得到多个子任务,并根据子任务的特点将自身以外的SoC平台构建成为多级流水线处理系统，子任务的个数和多级流水线处理系统的级数相同，每个子任务对应于一级流水线处理系统；

S3.主控器将划分好的子任务处理命令发送给每一级流水线处理系统，并将待处理的任务数据发送给第一级流水线处理系统；

S4.每一级流水线系统根据子任务命令对任务数据进行处理，处理完成后送入下一级流水线处理系统；

S5.当运算数据送入最后一级流水线处理系统时，最后一级流水线处理系统对任务数据进行处理后，判断是否满足迭代结束的条件：

（1）满足条件时，将任务数据处理结果发送给主控器，并向主控器反馈任务结束的信号；

（2）不满足条件时，最后一级流水线处理系统将任务数据处理结果送入第一级流水线处理系统，并跳转至步骤S4再次进行流水线处理。

所述的步骤S2中的每一级流水线处理系统包括一个或多个SoC平台，SoC平台个数由主控器分配给该级流水线处理系统的子任务数据量和数据的独立性决定，如果该级流水线处理系统需要处理数据量大且数据间具有独立性，该级流水线处理系统就采用多个SoC平台来共同完成数据处理任务。

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法还包括一个SoC平台增加步骤：系统运行过程，能够根据需要加入新的SoC平台，在加入新的SoC平台后，主控器根据目前任务划分结果及子任务运算量，给新加入的SoC平台分配相应的子任务，即将新加入的SoC平台分配到对应的一级流水线处理系统中。

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法还包括一个SoC平台去除步骤:系统运行过程中，能够根据需要去除SoC平台，SoC平台去除后，对系统的处理分为以下两种情况：

(1)若去除的SoC平台不是主控器，则主控器更新注册表，并重新构建多级流水线处理系统；

(2)若去除的SoC平台是主控器，则选择第一级流水线处理系统中的SoC平台作为主控器，并更新注册表，重新构建多级流水线处理系统；

SoC平台的去除包括对SoC平台进行出错隔离和人为地删除SoC平台。

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，还包括一个出错检测步骤：系统运行过程中，主控器实时对每一个SoC平台进行检测：

（1）当所有的SoC平台没有出错时，系统继续正常工作；

（2）当有SoC平台出错时，主控器对出错的SoC平台进行标记和出错隔离，出错隔离SoC平台不再工作，相当于从系统中去除。

在用户需要处理多个任务时，分为以下两种情况：

（1）部分任务或者全部任务需要进行迭代时，主控器在创建一个任务之后，只有在收到最后一级流水线处理系统反馈的任务结束的信号时，才会创建下一条任务，并发送给多级流水线处理系统进行处理；

（2）所有任务的处理都不需要迭代时，所述的主控器能够根据用户的需要不断创建新的任务，并将任务不断发送给第一级流水线处理系统，每一级流水线处理系统按照先进先出的原则对数据进行处理，并在最后一级流水线系统对数据进行处理后，直接将处理结果发送给主控器。

所述的每一级流水线处理系统在对数据的处理过程中，可以根据子任务的特点选择是SoC平台内的FPGA或者是DSP完成任务运算。

实施例一，如图4所示，在主控器SoC0平台完成任务划分后，根据子任务特点构建了所示的嵌入式系统，每个子任务对应一级流水线处理系统，每一级流水线处理系统包括一个或者多个SoC平台，在本实施例中，第一级流水线处理系统包括一个平台（SoC1），由SoC1平台完成第一级子任务；第二级流水线处理系统包括一个平台（SoC2），由SoC2平台完成第二级子任务；第三级流水线处理系统对应的子任务数据量比较大，且数据间具有独立性，故由包括m-2个平台（SoC3平台到SoCm平台，m大于3），由SoC3平台至SoCm平台共同完成第三级子任务；最后一级流水线处理系统包括一个平台（SoCn），由SoCn平台完成最后一级子任务，并在完成最后一级子任务后判断是否达到迭代结束的条件，满足条件时，SoCn平台将任务数据处理结果发送给主控器SoC0平台，并向主控器SoC0平台反馈任务结束的信号，不满足条件时，SoCn平台将任务数据处理结果送入第一级流水线处理系统的SoC1平台，再次进行流水线处理。

需要说明的是：若该任务本身只需要一次流水线处理，不需要迭代，最后一级流水线处理系统中的SoCn平台对任务数据进行处理后，在判断是否满足迭代结束条件时，直接判断为满足迭代结束条件。

需要说明的是，图4只是一种实施例的例子，并不是只有第三级流水线处理系统需要包括多个SoC平台，而是根据需要处理的子任务数据而定，系统的每一级流水线处理系统都能够包括一个或者多个SoC平台。

每一级的流水线处理系统对数据进行处理时，可以根据该子任务特点，选择FPGA或DSP完成该子任务。

在用户需要处理多个任务的时候，分为两种情况：

（1）如果全部任务或者部分任务需要迭代，则主控器SoC0平台在创建一个任务之后，只有在收到SoCn平台反馈的任务结束的信号时，才会创建下一条任务，并发送给多级流水线处理系统进行处理。

（2）如果所有任务的处理都不需要迭代，主控器SoC0平台可以根据用户需要不断创建新的任务，并可以将新的任务不断地发送给第一级流水线处理系统中的SoC1平台，而SoC1平台按照先进先出的原则处理这些任务，并将处理结果传递给第二级流水线处理系统中的SoC2平台，同样SoC2平台也是按照先进先出的原则处理任务依次传给下一级流水线处理系统中的SoC平台，当最后一级流水线处理系统中的SoCn平台完成数据处理后，会将结果回传给SoC0平台。

由于SoC平台是通过以太网连接进行数据交换，在SoC平台不足时，将新的SoC平台接入，只需要在设定的主控器进行注册更新就可以分配任务

实施例二，如图5所示，新加入SoCa平台，在主控器SoC0平台上注册，主控器根据目前任务特点及子任务运算量，给新加入的平台SoCa分配第二级流水线处理系统与SoC2平台共同完成该级子任务。

实施例三，如图6所示，检测到主控器SoC0平台出错后，将主控器SoC0平台隔离，相当于从系统中去除了SoC0平台；并选择第一级流水线处理系统中的SoC1平台作为新的主控器（如果主控器被去除的情况向，选择新的主控器的优先级从高到低为：原来多级流水线处理系统中的第一级，第二级到最后一级的顺序）；然后SoC1平台构建新的多级流水线处理系统，对数据进行处理。

Claims (10)

1.一种基于SoC的容错自适应可重构系统，其特征在于：包括多个完全相同的SoC平台和连接SoC平台的通信网络；

所述的多个SoC平台中任意一个SoC平台作为主控器,其它SoC平台形成多级流水线处理系统；所述的多级流水线处理系统的每一级包括一个或多个SoC平台；所述的主控器能够实时检测每个SoC平台是否出错；

所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统能够根据需要加入新的SoC平台或者去除SoC平台，并且在新的SoC平台或者去除SoC平台后能够自动重新构建多级流水线处理系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统，其特征在于：所述的SoC平台包括ARM、DSP、FPGA、外围设备、片内RAM、存储控制器和总线，所述的ARM、DSP、FPGA、外围设备、片内RAM和存储控制器分别与总线连接；

所述的ARM中包括操作系统，用于完成FPGA及DSP的配置、任务调度及数据流向控制和通过以太网与其他SoC平台进行通信完成数据交互；

所述的DSP用于负责运算量大的具体运算任务；

所述的FPGA用于实现专用模块的硬件加速；

所述的片内RAM和存储控制器用于负责任务处理中数据存储；

所述的外围设备用于实现用户定制，根据需求实现不同的外围设备；

所述的总线包括用于实现SoC内部控制的控制总线和用于进行数据交换的数据总线。

3.根据权利要求1所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统，其特征在于：所述的通信网络为以太网通信网络系统；所述的SoC平台为集成的SoC板。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.构建所述的动态可重构嵌入式系统，完成各个SoC平台的初始化，并选定其中任意一个SoC平台作为主控器；

S2.主控器创建任务,根据任务特点进行任务划分得到多个子任务,并根据子任务的特点将自身以外的SoC平台构建成为多级流水线处理系统，子任务的个数和多级流水线处理系统的级数相同，每个子任务对应于一级流水线处理系统；

S3.主控器将划分好的子任务处理命令发送给每一级流水线处理系统，并将待处理的任务数据发送给第一级流水线处理系统；

S4.每一级流水线系统根据子任务命令对任务数据进行处理，处理完成后送入下一级流水线处理系统；

S5.当运算数据送入最后一级流水线处理系统时，最后一级流水线处理系统对任务数据进行处理后，判断是否满足迭代结束的条件：

（1）满足条件时，将任务数据处理结果发送给主控器，并向主控器反馈任务结束的信号；

（2）不满足条件时，最后一级流水线处理系统将任务数据处理结果送入第一级流水线处理系统，并跳转至步骤S4再次进行流水线处理。

5.根据权利要求4中所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，其特征在于：所述的步骤S2中的每一级流水线处理系统包括一个或多个SoC平台，SoC平台个数由主控器分配给该级流水线处理系统的子任务数据量和数据的独立性决定，如果该级流水线处理系统需要处理数据量大且数据间具有独立性，该级流水线处理系统就采用多个SoC平台来共同完成数据处理任务。

6.根据权利要求4中所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，其特征在于：还包括一个SoC平台增加步骤：系统运行过程，能够根据需要加入新的SoC平台，在加入新的SoC平台后，主控器根据目前任务划分结果及子任务运算量，给新加入的SoC平台分配相应的子任务，即将新加入的SoC平台分配到对应的一级流水线处理系统中。

7.根据权利要求4中所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，其特征在于：还包括一个SoC平台去除步骤:系统运行过程中，能够根据需要去除SoC平台，SoC平台去除后，对系统的处理分为以下两种情况：

(1)若去除的SoC平台不是主控器，则主控器更新注册表，并重新构建多级流水线处理系统；

(2)若去除的SoC平台是主控器，则选择第一级流水线处理系统中的SoC平台作为主控器，并更新注册表，重新构建多级流水线处理系统；

SoC平台的去除包括对SoC平台进行出错隔离和人为地删除SoC平台。

8.根据权利要求4或7中所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，其特征在于：还包括一个出错检测步骤：系统运行过程中，主控器实时对每一个SoC平台进行检测：

（1）当所有的SoC平台没有出错时，系统继续正常工作；

（2）当有SoC平台出错时，主控器对出错的SoC平台进行标记和出错隔离，出错隔离SoC平台不再工作，相当于从系统中去除。

9.根据权利要求5中所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，其特征在于：在用户需要处理多个任务时，分为以下两种情况：

（1）部分任务或者全部任务需要进行迭代时，主控器在创建一个任务之后，只有在收到最后一级流水线处理系统反馈的任务结束的信号时，才会创建下一条任务，并发送给多级流水线处理系统进行处理；

（2）所有任务的处理都不需要迭代时，所述的主控器能够根据用户的需要不断创建新的任务，并将任务不断发送给第一级流水线处理系统，每一级流水线处理系统按照先进先出的原则对数据进行处理，并在最后一级流水线系统对数据进行处理后，直接将处理结果发送给主控器。

10.根据权利要求5中所述的一种基于SoC的容错自适应可重构系统的实现方法，其特征在于：所述的每一级流水线处理系统在对数据的处理过程中，可以根据子任务的特点选择是SoC平台内的FPGA或者是DSP完成任务运算。