可重构硬件操作系统技术

为了充分发挥可重构计算的高性能和可编程能力,需要将可重构资源和硬件任务纳入到操作系统管理范畴.因此面向可重构计算的操作系统技术—可重构硬件操作系统技术成为一个新的研究热点.本文在简要介绍可重构计算系统体系结构的基础上,详细介绍了国内外的研究现状.最后,结合可重构计算系统的特点,阐述了可重构硬件操作系统的关键技术.     

支持动态可重构的软/硬件统一多线程编程模型

针对可重构系统中的数据流驱动应用,提出支持动态可重构的软/硬件统一多线程编程模型SHUMDR及其层次化实现.通过硬件线程接口设计、操作系统内核扩展,便于设计人员以统一的线程视图描述应用的软硬件划分.以数据加密/解密为例进行测试的结果表明,统一线程抽象带来的时间开销和空间资源占用率较小,该模型在探索编程灵活性的同时,能够有效地兼顾硬件的效率.     

服务体模型与操作系统内核设计技术

操作系统内核通常分为宏内核和微内核两类,前者可扩展性与可维护性很差,而后者效率低下,缺乏实用性服务体模型是一种新型的操作系统构造模型,该模型使其存储抽象与运行抽象相分离,并采用一种新的基于消息推动的通信机制,既保持了微内核模型灵活和可扩展性,又具有很高的运行效率．MiniCore是基于服务体模型的一个原型操作系统,通过将该操作系统应用于路由器硬件实验平台,以实例说明了所提出操作系统构造模型的优越性．     

局部动态可重构FPGA进程式调度系统设计与实现

针对6G时代多样的边缘计算要求，基于FPGA上的可重构技术可以实现更低的时延同时提供多样性的服务。基于局部动态重配置的思路，使用ICAP接口对FPGA资源进行重新配置，从而实现FPGA逻辑上的局部动态可重构方案。借鉴操作系统中软件进程管理的思想，基于Linux操作系统中引入硬件进程的概念，这样可以将一整块FPGA资源划分为多个小的FPGA资源块，每一个小的可重构的FPGA资源块都可以抽象成为一个硬件进程，硬件进程实际并不运行在CPU上而是运行在FPGA逻辑资源区域中，在操作系统上只是硬件进程的软件语言描述。由此，设计出CPU加FPGA的硬件方案来实现局部可重构系统，并在Xilinx公司Zynq系列芯片上进行了验证，将FPGA硬件资源进行进程式调度以及资源分配，大大提高了FPGA硬件资源的利用率以及灵活性。     

嵌入式实时操作系统内核混合代码的自动化验证框架

"如何构造高可信的软件系统"已成为学术界和工业界的研究热点.操作系统内核作为软件系统的基础组件，它的安全可靠是构造高可信软件系统的重要环节.为了确保操作系统内核的安全可靠，将形式化方法引入到操作系统内核验证中，提出了一个自动化验证操作系统内核的框架.该验证框架包括：（1）分别对C语言程序和混合语言程序（C语言和汇编语言）进行验证；（2）在混合语言程序验证中，为汇编程序建立抽象模型，并将C语言程序和抽象模型粘合形成基于C语言验证工具可接收的验证模型；（3）从规范中提取性质，基于该自动验证工具，对性质完成自动验证；（4）该框架不限于特定的硬件架构.成功地运用该验证框架对两种不同硬件平台的嵌入式实时操作系统内核μC/OS-II进行了验证.结果显示：利用该框架在对两个不同的硬件平台上内核验证时，框架的可重复利用率很高，高达到88%，虽然其抽象模型需要根据不同的硬件平台进行重构.在对基于这两种平台的操作系统内核验证中，分别发现了10~12处缺陷.其中，在ARM平台上两处与硬件相关的问题被发现.实验表明，该方法对不同硬件平台的同一个操作系统分析验证具有一定的通用性.     

Java芯片操作系统的模型和实现

提出的Java芯片操作系统是一个基于Java芯片系统的、针对嵌入式应用的面向对象操作系统.它由服务器、内核和转换层等3种组件构成.这些组件的抽象特征构成了其基本框架.特定组件继承了上述的特征,并进行特化.与经典操作系统相比,该操作系统更容易开发和维护,并具有更好的可伸缩性、代码的可重用性和可移植性.介绍了该操作系统的结构、运行模型以及实现技术,并与相关的工作进行了比较.     

抗电路板级物理攻击的操作系统防御技术研究

计算设备处理和存储日益增多的敏感信息,如口令和指纹信息等,对安全性提出更高要求.物理攻击技术的发展催生了一种通过攻击电路板级硬件组件来获取操作系统机密信息的攻击方法:电路板级物理攻击.该类攻击具有工具简单、成本低、易流程化等特点,极容易被攻击者利用形成黑色产业,是操作系统面临的新安全威胁和挑战.在处理器上扩展内存加密引擎可抵抗该类攻击,但是目前大部分计算设备并未配备该硬件安全机制.学术界和产业界提出软件方式抗电路板级物理攻击的操作系统防御技术,该类技术已成为近年来的研究热点.深入分析了该类技术的研究进展,总结其技术优势和不足,并探讨其发展趋势.首先,介绍了电路板级物理攻击的定义、威胁模型、现实攻击实例.之后,介绍软件方式抗电路板级物理攻击的操作系统防御技术所依赖的一些基础技术.然后,对该类防御技术的研究进展按照保护范围进行分类总结和归纳.最后,分析了该类防御技术的优势与不足,给出工程实现建议,并探讨该类防御技术未来的研究趋势.     

共享存储可重构计算机软硬件通信的优化实现

可重构硬件操作系统BORPH提供的硬件进程概念和以硬件为中心的执行模型可极大地提高可重构计算平台的易用性.BORPH-N为BORPH的扩展系统,主要的扩展是支持在共享存储可重构计算平台上的运行.BORPH-N为硬件进程提供基于共享存储、符合Unix语义的高性能进程间通信支持:共享存储和信号量.利用这两项服务,硬件进程可与系统中其他所有软件进程和硬件进程进行交互.可重构计算的重要目标是利用可重构逻辑对应用的耗时部分进行加速,所以软硬件交互机制的效率至关重要.通过类似远程调用这种简单方式来提供这两项服务,软硬件交互频繁,开销较大,性能难以满足需求.BORPH-N使用的优化策略基于独立执行的基本思路进行设计.实验结果表明,BORPH-N所需硬件开销较小,为硬件进程提供的共享存储和信号量的效率逼近硬件平台的峰值,可以满足实际应用的需求.     

一种异构可重构片上系统的实时任务调度算法

动态可重构系统中为新到达的任务实时地安排任务启动时间和放置位置是硬件任务调度算法的关键.硬件任务的调度在很大程度上影响可重构计算系统的性能.提出了一种基于二维资源模型的分组-邻接边在线调度算法,该算法将硬件任务按照长宽比分为垂直任务和水平任务两组分别考虑在可重构资源上的放置位置,同时引入任务邻接边数作为选择合理放置位置的重要指标,可使得硬件任务放置更为紧凑,减少资源碎片,提高调度成功率.对两种硬件任务放置策略进行了对比,结果表明尽可能旱的安排任务启动有利于提升高负载情况下的调度成功率.仿真实验表明,与已有算法相比,该算法具有更高的任条接受率,而运行时开销没有显著增加.     

一种新型的基于构件和微内核的设备驱动模型

论文首先从内核性能和安全性的角度分析驱动程序对微内核与单体内核的影响;然后讨论硬件抽象层对驱动抽象能力的影响以及与移植性及内核大小的关系;分析传统UNIX系列与Windows NT操作系统内核结构以及驱动模型优缺点;最后介绍一个构件化驱动模型的特点。该模型基于构件装配运行平台技术,运行在和欣2.0操作系统平台上。驱动模型底层是一个合适的硬件抽象层,方便移植,用户态程序可以灵活地调用驱动程序。     

A process-driven computing model for reconfigurable semiconductor manufacturing

Reconfigurability is essential for semiconductor manufacturing systems to remain competitive. Reconfigurable systems avoid costly modifications required to change and adapt to changes in product, production and services. A fully automated, collaborative, and integrated while reconfigurable manufacturing system proves cost-effective in the long term and is a promising strategy for the semiconductor manufacturing industry. However, there is a lack of computing models to facilitate the design and development of control and management systems in a truly reconfigurable manner. This paper presents an innovative computing model for reconfigurable systems and controlled manufacturing processes while allowing for the integration of modern technologies to facilitate reconfiguration, such as radio frequency identification (RFID) and reconfigurable field programmable gate array (FPGA). Shop floor manufacturing activities are modeled as processes from a business perspective. A process-driven formal method that builds on prior research on virtual production lines is proposed for the formation of a reconfigurable cross-facility manufacturing system. The trajectory of the controlled manufacturing systems is optimized for on-demand production services. Reconfigurable process controllers are introduced in support of the essential system reconfigurability of future semiconductor manufacturing systems. Implementation of this approach is also presented.     

可重构系统的操作系统(OS4RS)介绍

可重构系统是目前计算机及微电子领域的一个研究热点,详细介绍了一种可用于运行时可重构系统的操作系统(O S 4R S ) ,分析了该操作系统的各个方面,如操作系统的结构以及它对运行时可重构系统中任务在软、硬件资源之间的调度等。最后分析了国内外在O S 4R S方面的研究现状。     

基于构件运算的可重构系统代数模型

可重构系统是指一个系统由构件组成,随着构件被替换以及组合拓扑关系的变化,系统表现出不同的功能.针对可重构系统在形式化和重构建模方面的不足,用代数学方法对可重构构件、构件组合、可重构系统的属性和行为特征进行抽象,把构件组合定义成构件的"运算"实现,结合进程代数中算子的概念,定义了多种构件组合运算,建立了可重构系统的代数模型.在代数模型基础上,提出了重构建模和重构范式,为可重构系统提供理论支持,最后介绍了应用案例.     

基于机器人的可重构装配系统

本文分析了市场全球化给企业带来的挑战和机遇 ,提出了基于机器人的可重构装配系统 .在分析国外在可重构制造领域的研究状况的基础上 ,提出了基于机器人可重构装配系统的设计内容和方法 ,并提出了可重构装配系统今后需研究的方向     

A GA-based approach for optimizing single-part flow-line configurations of RMS

Generating economical single-part flow-line (SPFL) configurations as candidates for a given demand period is an important optimization problem for reconfigurable manufacturing systems (RMS). The optimization problem addresses the questions of selecting number of workstations, number and type of paralleling identical machines as well as operation setups (OSs) for each workstation. The inputs include a precedence graph for a part, relationships between OSs and operations, machine options for each OS. The objective is to minimize the capital costs of the SPFL configurations. A 0–1 nonlinear programming (NLP) model is developed to handle the key issue of sharing machine utilization over consecutive OSs which is ignored in existing 0–1 integer linear programming (ILP) model. Then a GA-based approach is proposed to identify a set of economical solutions. To overcome the complexity of search space, a novel procedure is presented to guide GA to search within a refined solution space comprising the optimal configurations associated with feasible OS sequences. A case study shows that the best solution derived from the 0–1 NLP model through GA is better than the optimum of existing 0–1 ILP model. The results illustrate the effectiveness of our model and the efficiency of the GA-based approach.     

可重构的企业管理信息系统研究

可重构性是智能系统的基本特性 ,已受到人们的广泛重视 .本文提出了可重构的企业管理信息系统概念 ,指出了开发可重构信息系统的重要性和必要性 ,并对如何开发的问题提出了自己的想法 .文章最后对一些著名的集成化管理软件开发情况作了简单介绍     

可重构体系结构的特征及应用

文章介绍了可重构体系结构的概念、特征和应用。着重介绍了可重构体系结构的分类及其适用领域,可重构计算系统的总体结构特征和可重构处理单元RPU的结构特征,对基于FPGA的可重构系统和其他可重构系统进行了比较,并总结了当前可重构体系结构的优点以及存在的问题。     

基于实时组件的可重构数控系统研究

针对可重构数控系统存在的行为与定时问题，将调度机制引入基于口的组件，提出一种实时组件模型，并以此为基础建立了层次化多模式的数控系统体系结构。该结构通过层次化有限自动机描述系统的控制行为；通过组件网络刻画系统的定时特性，为分析可重构控制器构形的变化提供了有效的手段。针对2轴控制器的重构过程有效地验证了文中方法的有效性。     

可重构制造系统的可重构控制器

可重构控制器是可重构制造系统的重要组成部分之一。该文提出了可重构控制器的体系结构。分析了实现可重构制造系统的可重构控制的方法。仿真研究表明可重构控制是实现可重构制造系统控制系统可重构的有效方法。     

动态系统的一致同余安全

研究动态系统的安全问题．针对动态系统运行时间配置的可变特性，引入了动态系统的进程代数模型和复杂动态系统概念，定义了动态系统的一致安全性质和一致同余安全性质．基于观察同余等价，构造了一类一致同余安全模型．本文证明，动态系统的安全性质是一致安全性质，而对于复杂动态系统，其安全性质是一致同余安全性质．