多核嵌入式系統級設計在通用互聯網絡實現條件下的方法研究

張春麗，王薇

（四川財經職業學院　四川 成都　610101）

多核嵌入式系統級設計在通用互聯網絡實現條件下的方法研究

張春麗，王薇

（四川財經職業學院四川 成都610101）

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

通用互聯網；多核處理器；嵌入式系統；系統級設計

隨著嵌入式應用的深入，通信行業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，現今的嵌入式系統大多數采用的都是多核結構的處理器，規模逐漸的增大，功能也越來越強大，基于互聯網的多核嵌入式系統級設計成為了通信行業不斷探索和考慮的問題，傳統的設計方法已經不能滿足對使用的需求，需要不斷探索新的方法來適應日益壯大的需求。文中研究的是多核嵌入式系統級設計在互聯網條件下的方法，并簡要介紹了一些核心技術和核心的算法，通過對各個指標的評估，對傳統方法進行優化，提高設計的性能，因此本方法的研究對現今的設計具有一定的實際意義。

1　研究現狀

1.1多核操作系統的現狀

目前，多核技術已經成為了最受關注的話題和研究方向，在計算機通信行業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容，在多核體系中，更加關注的問題是核與核之間的協作［1］，資源的共享、線程的并行度以及任務的調度。多核操作系統在現今的系統中具有更大的優勢，也能夠更好的適應信息產業的不斷發展。能夠有效的利用多核技術，開發適應多核平臺的系統軟件，最大限度的利用多核系統成為現在主要研究和探索的問題。

1.2嵌入式系統的現狀

電子數字計算機誕生于1964年，自此信息產業發生了翻天覆地的變化，微處理的出現使得計算機發生了歷史性的變化，為了區別于原有的通用計算機，嵌入式系統從此誕生。嵌入式系統是完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統［2］，隨著信息化、智能化、網絡化的發展，嵌入式系統技術也獲得了廣闊的發展空間，數字時代為嵌入式市場展現了美好的前景［3］，現在，嵌入式系統被廣泛的應用于軍事、家用、工業、商業辦公等領域，在表現了高的技術創新的基礎上，也體現出來超高的投資和商業價值，隨著全球經濟的發展和信息化的加速發展，嵌入式系統市場必將進一步增長。

1.3研究意義

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

2　多核嵌入式系統級設計的方法

2.1總體說明

針對嵌入式系統級設計，國內外研究人員都有自己的理論和設計方法，Kienhuis首次提出了Y圖設計方法，但是Y圖設計方法里還存在著一定的不足，如何能夠將計算、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容，需要融入一些創新的算法和方式，以能夠滿足系統級設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計過程中的基礎部分，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的部分內容，所以能夠滿足建模和通用能力的要求。再通過探測點、優化收斂算法完成優化，實現在通用互聯網下的多核嵌入式系統級設計。

2.2設計關鍵點

系統級設計最關鍵的部分是系統之中的分布、執行和傳輸，而對于通用互聯網來說,明確互聯網的內核也具有一定的意義，因為通用互聯網具有一定的異構性，包括網絡差異性以及設備的差異性，其具有的主要工作原理如圖1所示［4］。

圖1　通用互聯網內核

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

3　核心技術及算法分析

3.1多核技術

多核體系結構是目前為性能提高、節能計算等領域進行研究的一項重要技術。核與核之間的連接方式、任務調度策略、軟硬件協同設計策略等方面都在不斷地探索研究中逐步成熟。多核技術的體系結構研究、嵌入式系統設計研究，以及操作系統的核心算法研究都將促進計算機行業的革新發展［1］。

多內核是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎，多內核也可以看成是一種CPU的集成技術，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勢，但是不免在體系結構、軟件、功耗和安全性設計等方面也隨之而來具有了一定的挑戰，多核具有的優勢是非常大的，首先多核處理器代表了計算機通信技術方面的一次創新，由于數字數據和互聯網的全球化［5］，多核處理器滿足了信息產業的發展，其具有不增加功耗而提高性能的優勢；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，減少反應時間，降低延遲［6］；再次多核處理器的擴展性強，易于優化和設計，這為嵌入式系統級設計提供了非常大的強有力的支持［2］，那么嵌入式系統的多核處理器結構如圖2所示。

圖2　多核處理器結構

未來，眾核處理器上將集成數百個處理器內核，核與核之間的數據通信量將非常龐大。多核處理器的多個核心各自執行自己的代碼，不同核間數據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據通信以及多個處理器核之間的同步，對系統性能的要求更高［6］。

3.2調度算法

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

表1　實時調度的分類方式

在基本互聯網的多核嵌入式系統級設計的過程中，更建議使用改進的實時調度算法NSRL算法，這是嵌入式目前引進的相對科學合理的調度算法，他綜合考慮了各種因素對于優先級的影響，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，由給出的結論來確定任務的優先級，充分利用系統資源，不但能夠保證大多數的任務圓滿的執行，而對于相對重要的任務能夠進行一個隨時的調度，保證了系統能夠在有限的時間內盡可能多的運行任務。

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數字濾波算法

數字濾波算法的發展是多元化的，根據每個不同的信號量有不同的數字濾波算法。但是每個數字濾波算都是一樣的，即系統采集到的數據盡可能地接近信號量的真實值［8］。

在多核嵌入式系統之中，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，叫預處理。數字濾波算法就是一種預處理的算法，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；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。濾波系數越小，濾波結果越平穩，但是靈敏度就會相應的下降，所以說，濾波的平穩性和靈敏度不能100%的全部兼顧，找到最大化的濾波系數就變的尤為重要。

而最大濾波系數的計算方法如下：

4　結束語

隨著計算機通信行業的不斷發展場，消費者的要求越來越高，基于多核技術在嵌入式系統的產品應該向著高實時性、高效性、低功耗等方面發展。有效地利用多核技術，適應多核技術的開發，對軟件開發者提出了更高的要求，正確地選擇程序執行模型、更高效率地共享數據和通訊［1］都需作進一步研究。目前，多核處理器時代已經是勢不可擋，基于互聯網的多核嵌入式系統級設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.基于多核環境的并行下載系統研究開發［D］.西安:西安理工大學,2010.

［3］劉霞,劉士彩.嵌入式系統應用現狀及發展趨勢［J］.科技信息, 2011（2）:247-249.

［5］林彬.并行計算的基本問題及現狀分析［J］.中國管理信息化，2014,17（16）:121-123.

［6］盛肖煒.多核處理器內部核間通信研究［D］.沈陽:沈陽理工大學,2013.

［7］馮艷紅,張玉明,徐美華.實時調度算法分類研究［J］.微型電腦應用,2005,21（7）:12-14.

［8］伍靈杰.數據采集系統中數字濾波算法的研究［D］.北京:北京林業大學,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：計算機教學改革、嵌入式系統。