CN112433982A - 一种舰船公共计算服务终端的fpga动态重构方法 - Google Patents

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韩华锦
李顺达
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Abstract

本发明涉及一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，其技术特点是：本发明通过构建基于Zynq Soc的终端节点功能框架，其中终端节点功能框架包括主机硬件层、系统软件层和应用软件层；通过终端节点功能框架，确定重构单元以及本地重构和远程重构的实现方式；建立场景切换计算模型，根据终端应用场景的改变而实现动态重构。本发明填补了国内相关研究的空白，同时具有通用性，物联网领域实现边缘计算的动态处理时，均可采用此方法提高系统的响应速率和实时性，降低终端功耗。

Description

一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法
技术领域
本发明属于计算机网络领域，尤其是一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法。
背景技术
舰船公共计算服务(简称舰船服务系统)是一个以开放式体系结构(OA)为基础的体系结构。OA是指采用开放标准作为一个系统的重要接口的体系结构。舰船公共计算服务基础设施包括网络设备、计算设备、存储设备、显示设备和操控设备等硬件设备以及一组核心、通用的基础软件。这些软、硬件采用主流商用现货产品，构建成为一个开放式体系结构的计算环境，为传感器、控制、舰船操纵、机电控制和保障等领域应用提供服务。
舰船公共计算服务参照商用云计算技术架构，分为舰艇基础资源服务、平台支撑服务、运维安全服务三大类，包括基础软件、资源虚拟化、资源管理服务、数据支撑服务、软件支撑服务、门户服务、运维服务、安全服务等部分。
舰船服务系统实际运行中，存在如下典型问题：
1、终端节点网络海量上行传输导致网络拥堵问题，例如传输4K图片时，即使考虑图片的压缩，其大小都在3Mb～4Mb左右，如果以每秒传输24帧记，其上行传输也接近100Mb的速率；
2、传输速率要求不是一个固态的而是一个动态变化的速率。在需要大量突发的上行数据支撑时，速率问题更为严重；
3、部分终端节点数据的强调安全性与私有化问题，在舰船服务系统中也难以解决。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，能够在物联网领域实现边缘计算的动态处理时，提高系统的响应速率和实时性，降低终端功耗。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，包括以下步骤：
步骤1、构建基于Zynq Soc的终端节点功能框架；
步骤2、确定重构单元以及本地重构和远程重构的实现方式；
步骤3、建立场景切换计算模型，根据终端应用场景的改变而实现动态重构。
而且，所述步骤1的终端节点功能框架包括：主机硬件层、系统软件层和应用软件层。
而且，所述主机硬件层使用内含ARM硬核的Zynq-7000系列FPGA，所述FPGA引出主要GPIO口，支持PCIE硬核的将PCIE收发器接口引出，并设计动态重构接口电路。
而且，所述系统软件层包括故障检测恢复模块、设备驱动和多版本动态链接库三部分，运行嵌入式Linux操作系统，所述多版本动态链接库为主机硬件层与应用软件层的沟通桥梁。
而且，所述应用软件层包括I/O动态重构监控和局部重配置，实现I/O接口动态可重构和计算任务动态可重构，Zynq动态可重构平台在ARM处理器的控制下独立完成动态重配置的初始化，并且监测I/O接口重构。
而且，所述步骤2中本地重构的具体实现方法为：采用FPGA的配置文件存储在终端的非易失性存储器中或通过短程通信可获取的某个设备或器件中，通过终端电路板上的按键、拨码开关或通过短程通信发送指令手段触发重构，实现FPGA逻辑功能的动态重构。
而且，所述步骤2中远程重构包括以下步骤：
⑴、初始化终端的LwIP协议栈，待初始化完毕后，完成终端MAC、IP、掩码以及网关的配置，并完成Socket应用编程；
⑵、监听端口，当远程控制计算机发起配置文件发送请求时，终端将接收到的配置文件首先写入内存中，待所有的数据写入内存后，再将内存中的配置数据写入Flash；
⑶、当所有配置数据写入Flash中以后，触发GPIO对FPGA进行重配置，实现FPGA逻辑功能的动态重构。
而且，所述步骤3包括以下步骤：
⑴、终端通过实时采集到主机硬件层的传感器数据进行实时判断，同时将部分传感器数据和计算分析结果传输给云端；
⑵、云端针对上传的传感器数据，结合自身的处理能力进行处理结果的判断，并就该结果和终端的分析结果进行判断；
⑶、云端将判断结果传给终端，终端根据该判断结果建立场景切换计算模型，并根据应用场景的改变而实现动态重构功能。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过构建基于Zynq Soc的终端节点功能框架；确定重构单元以及本地重构和远程重构的实现方式；建立场景切换计算模型，根据终端应用场景的改变而实现动态重构。本发明填补了国内相关研究的空白，同时具有通用性，物联网领域实现边缘计算的动态处理时，均可采用此方法提高系统的响应速率和实时性，降低终端功耗。
附图说明
图1为本发明为基于Zynq Soc的终端节点功能框架；
图2为本发明动态重构电路框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，包括以下步骤：
步骤1、构建基于Zynq Soc的终端节点功能框架。
如图1所示，步骤1的终端节点功能框架包括：主机硬件层、系统软件层和应用软件层。
主机硬件层基于Zynq-7000系列FPGA设计，如Zynq7010、7015、7020、7030、7045和7100等，该类FPGA器件内含ARM硬核，所述FPGA引出主要GPIO口，支持PCIE硬核的将PCIE收发器接口引出，并设计动态重构接口电路。
系统软件层包括故障检测恢复模块、设备驱动和多版本动态链接库三部分，运行嵌入式Linux操作系统，所述多版本动态链接库为主机硬件层与应用软件层的沟通桥梁。
如图2所示，应用软件层包括I/O动态重构监控和局部重配置，可以实现I/O接口动态可重构和计算任务动态可重构，Zynq动态可重构平台在ARM处理器的控制下独立完成动态重配置的初始化，并且监测I/O接口重构。
步骤2、确定重构单元以及本地重构和远程重构的实现方式。
本步骤中本地重构的具体实现方法为：采用FPGA的配置文件存储在终端的非易失性存储器中或通过短程通信可获取的某个设备或器件中，通过终端电路板上的按键、拨码开关或通过短程通信发送指令手段触发重构，实现FPGA逻辑功能的动态重构。
步骤2中远程重构包括以下步骤：
⑴、初始化终端的LwIP协议栈，待初始化完毕后，完成终端MAC、IP、掩码以及网关的配置，并完成Socket应用编程；
⑵、监听端口，当远程控制计算机发起配置文件发送请求时，终端将接收到的配置文件首先写入内存中，待所有的数据写入内存后，再将内存中的配置数据写入Flash；
⑶、当所有配置数据写入Flash中以后，触发GPIO对FPGA进行重配置，实现FPGA逻辑功能的动态重构。
步骤3、建立场景切换计算模型，根据终端应用场景的改变而实现动态重构。
本步骤包括以下步骤：
⑴、终端通过实时采集到主机硬件层的传感器数据进行实时判断，同时将部分传感器数据和计算分析结果传输给云端；
⑵、云端针对上传的传感器数据，结合自身的处理能力进行处理结果的判断，并就该结果和终端的分析结果进行判断；
⑶、云端将判断结果传给终端，终端根据该判断结果建立场景切换计算模型，并根据应用场景的改变而实现动态重构功能。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构建基于Zynq Soc的终端节点功能框架；
步骤2、确定重构单元以及本地重构和远程重构的实现方式；
步骤3、建立场景切换计算模型，根据终端应用场景的改变而实现动态重构。
2.根据权利要求1所述的一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，其特征在于：所述步骤1的终端节点功能框架包括：主机硬件层、系统软件层和应用软件层。
3.根据权利要求2所述的一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，其特征在于：所述主机硬件层使用内含ARM硬核的Zynq-7000系列FPGA，所述FPGA引出主要GPIO口，支持PCIE硬核的将PCIE收发器接口引出，并设计动态重构接口电路。
4.根据权利要求2所述的一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，其特征在于：所述系统软件层包括故障检测恢复模块、设备驱动和多版本动态链接库三部分，运行嵌入式Linux操作系统，所述多版本动态链接库为主机硬件层与应用软件层的沟通桥梁。
5.根据权利要求2所述的一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，其特征在于：所述应用软件层包括I/O动态重构监控和局部重配置，实现I/O接口动态可重构和计算任务动态可重构，Zynq动态可重构平台在ARM处理器的控制下独立完成动态重配置的初始化，并且监测I/O接口重构。
6.根据权利要求1所述的一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，其特征在于：所述步骤2中本地重构的具体实现方法为：采用FPGA的配置文件存储在终端的非易失性存储器中或通过短程通信可获取的某个设备或器件中，通过终端电路板上的按键、拨码开关或通过短程通信发送指令手段触发重构，实现FPGA逻辑功能的动态重构。
7.根据权利要求1所述的一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，其特征在于：所述步骤2中远程重构包括以下步骤：
⑴、初始化终端的LwIP协议栈，待初始化完毕后，完成终端MAC、IP、掩码以及网关的配置，并完成Socket应用编程；
⑵、监听端口，当远程控制计算机发起配置文件发送请求时，终端将接收到的配置文件首先写入内存中，待所有的数据写入内存后，再将内存中的配置数据写入Flash；
⑶、当所有配置数据写入Flash中以后，触发GPIO对FPGA进行重配置，实现FPGA逻辑功能的动态重构。
8.根据权利要求1所述的一种舰船公共计算服务终端的FPGA动态重构方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：
⑴、终端通过实时采集到主机硬件层的传感器数据进行实时判断，同时将部分传感器数据和计算分析结果传输给云端；
⑵、云端针对上传的传感器数据，结合自身的处理能力进行处理结果的判断，并就该结果和终端的分析结果进行判断；
⑶、云端将判断结果传给终端，终端根据该判断结果建立场景切换计算模型，并根据应用场景的改变而实现动态重构功能。
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