多核嵌入式系统级设计在通用互联网络实现条件下的方法研究

张春丽，王薇

（四川财经职业学院　四川 成都　610101）

多核嵌入式系统级设计在通用互联网络实现条件下的方法研究

张春丽，王薇

（四川财经职业学院四川 成都610101）

由于嵌入式系统的规格和各项功能越来越强大，传统的设计方法已经不能够满足技术日益增长的需要。因此在通用互联网的条件下，对多核嵌入式系统级设计方法进行研究，具备了一定的积极意义。本文主要对目前多核系统、嵌入式系统的现状进行了阐述分析，并通过对其设计方法中涉及的多核技术、调度算法、数字滤波技术进行归纳比较，提升传统的设计方法的效率，弥补传统方法的不足。

通用互联网；多核处理器；嵌入式系统；系统级设计

随着嵌入式应用的深入，通信行业对嵌入式不断有了新的探索，也对处理器方面的使用提出了更高的要求，为了避免CPU温度过高、功耗过大的情况出现，现今的嵌入式系统大多数采用的都是多核结构的处理器，规模逐渐的增大，功能也越来越强大，基于互联网的多核嵌入式系统级设计成为了通信行业不断探索和考虑的问题，传统的设计方法已经不能满足对使用的需求，需要不断探索新的方法来适应日益壮大的需求。文中研究的是多核嵌入式系统级设计在互联网条件下的方法，并简要介绍了一些核心技术和核心的算法，通过对各个指标的评估，对传统方法进行优化，提高设计的性能，因此本方法的研究对现今的设计具有一定的实际意义。

1　研究现状

1.1多核操作系统的现状

目前，多核技术已经成为了最受关注的话题和研究方向，在计算机通信行业为性能的提高开辟了新的方向，在单核处理器的研究当中，最重视的是提高频率、并行速率等方面的内容，在多核体系中，更加关注的问题是核与核之间的协作［1］，资源的共享、线程的并行度以及任务的调度。多核操作系统在现今的系统中具有更大的优势，也能够更好的适应信息产业的不断发展。能够有效的利用多核技术，开发适应多核平台的系统软件，最大限度的利用多核系统成为现在主要研究和探索的问题。

1.2嵌入式系统的现状

电子数字计算机诞生于1964年，自此信息产业发生了翻天覆地的变化，微处理的出现使得计算机发生了历史性的变化，为了区别于原有的通用计算机，嵌入式系统从此诞生。嵌入式系统是完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统［2］，随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也获得了广阔的发展空间，数字时代为嵌入式市场展现了美好的前景［3］，现在，嵌入式系统被广泛的应用于军事、家用、工业、商业办公等领域，在表现了高的技术创新的基础上，也体现出来超高的投资和商业价值，随着全球经济的发展和信息化的加速发展，嵌入式系统市场必将进一步增长。

1.3研究意义

系统级设计是一种能够解决嵌入式系统的复杂性的一种的方法，它可以针对不同的计算模型进行划分，从而实现设计空间探索和应用实现，因此，多核嵌入式系统级设计的方法研究具有很重大的现实意义，文中主要探讨了一些相关的技术和算法，目的是在于能够提升传统的设计方法的效率，弥补传统方法的不足，目前，单纯依靠提高处理器的性能来提高系统实时性已经不能够满足，必须探索新的方法，对其进行改进和优化，这样才能提高对互联网和系统的应用效率。

2　多核嵌入式系统级设计的方法

2.1总体说明

针对嵌入式系统级设计，国内外研究人员都有自己的理论和设计方法，Kienhuis首次提出了Y图设计方法，但是Y图设计方法里还存在着一定的不足，如何能够将计算、以及通信巧妙的融合起来，降低吞吐率，提高总线的各项指标和水平成为了方法研究的一个主要内容，需要融入一些创新的算法和方式，以能够满足系统级设计的各项指标和要求［4］。

Artisan库，整套的标准单元库包括版图库、版图库、电路逻辑等，整套的标准单元库包括版图库、符号库、电路逻辑库等。包含了组合逻辑、时序逻辑、功能单元和特殊类型单元。是集成电路芯片后端设计过程中的基础部分，标准单元库用来为逻辑综合及布局布线工具提供支持，导出GDSII文件，LEF文件，时序文件，电路逻辑和符号库，标准单元库中包括了嵌入式系统的部分内容，所以能够满足建模和通用能力的要求。再通过探测点、优化收敛算法完成优化，实现在通用互联网下的多核嵌入式系统级设计。

2.2设计关键点

系统级设计最关键的部分是系统之中的分布、执行和传输，而对于通用互联网来说,明确互联网的内核也具有一定的意义，因为通用互联网具有一定的异构性，包括网络差异性以及设备的差异性，其具有的主要工作原理如图1所示［4］。

图1　通用互联网内核

在这个过程里最重要的是如何根据总线资源的占用情况获得相应的资源，并且实现在传输过程中的效率最大化。

3　核心技术及算法分析

3.1多核技术

多核体系结构是目前为性能提高、节能计算等领域进行研究的一项重要技术。核与核之间的连接方式、任务调度策略、软硬件协同设计策略等方面都在不断地探索研究中逐步成熟。多核技术的体系结构研究、嵌入式系统设计研究，以及操作系统的核心算法研究都将促进计算机行业的革新发展［1］。

多内核是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎，多内核也可以看成是一种CPU的集成技术，虽然集成在一起，但是每一个CPU在物理上还是单独的CPU，与单核处理器比较来看，虽然在功能上具备了并行处理，性能和效率提高的优势，但是不免在体系结构、软件、功耗和安全性设计等方面也随之而来具有了一定的挑战，多核具有的优势是非常大的，首先多核处理器代表了计算机通信技术方面的一次创新，由于数字数据和互联网的全球化［5］，多核处理器满足了信息产业的发展，其具有不增加功耗而提高性能的优势；其次，多核处理器的使用能够使核与核之间的通信提升一定的效率，减少反应时间，降低延迟［6］；再次多核处理器的扩展性强，易于优化和设计，这为嵌入式系统级设计提供了非常大的强有力的支持［2］，那么嵌入式系统的多核处理器结构如图2所示。

图2　多核处理器结构

未来，众核处理器上将集成数百个处理器内核，核与核之间的数据通信量将非常庞大。多核处理器的多个核心各自执行自己的代码，不同核间数据的共享与同步也需同时进行，核间的通信机制还用于多个进程或线程之间的数据通信以及多个处理器核之间的同步，对系统性能的要求更高［6］。

3.2调度算法

任务调度是多核处理器的存在的一个重要问题，全局队列调度和局部队列调度是比较常见的调度算法。全局队列调度的优点是CPU核心利用率高，而局部调度算法的优点是任务的切换效率更高［1］。而在实时任务调度中，基于优先级的实时调度算法最为常见，调度本质上来讲是对资源的分配，而实时更加注重的是效率，实时调度的分类方式有几下几种，如表1［7］所示。

表1　实时调度的分类方式

在基本互联网的多核嵌入式系统级设计的过程中，更建议使用改进的实时调度算法NSRL算法，这是嵌入式目前引进的相对科学合理的调度算法，他综合考虑了各种因素对于优先级的影响，并能够最大可能的提高了利用效率，减小了资源的浪费。NSRL算法是在考虑了周期和重要程度之后，由给出的结论来确定任务的优先级，充分利用系统资源，不但能够保证大多数的任务圆满的执行，而对于相对重要的任务能够进行一个随时的调度，保证了系统能够在有限的时间内尽可能多的运行任务。

在充分考虑该算法的可实施性后，可以知道具体的算法如下［4］：

f（X）=f（X+ΔX）-f（X），那么其中变化了的距离为：

那么可以求出f（X）的梯度是：

综合考虑限制条件：其中x1，…xn∈（1,N），并且x1不等于xn，那么可得到P的最小值为：

3.3数字滤波算法

数字滤波算法的发展是多元化的，根据每个不同的信号量有不同的数字滤波算法。但是每个数字滤波算都是一样的，即系统采集到的数据尽可能地接近信号量的真实值［8］。

在多核嵌入式系统之中，信号和脉冲的处理均由微机完成，而信号之中会存在一些噪声和干扰因素是事实，所以这个时候就提出了一个定义，叫预处理。数字滤波算法就是一种预处理的算法，算法通过一定的程序，从而减少对正确信号的干扰，从而提高精度和准度［8］。数字滤波有一些基本的算法，比如程序判断法，中位值滤波法，算术平均滤波法等。在这些算法之中，比较来看，最适合的是一阶惯性滤波方法，惯性滤波又叫做低通滤波或者滞后滤波，适用于换面变化的随机干扰信号。

一阶低通滤波的算法公式为：Y（n）=aX（n）（1-a）Y（n-1）

公式中：a=滤波系数；X（n）=本次采样值；Y（n）=本次滤波输出值；Y（n-1）=上次滤波输出值，一阶低通滤波法得到有效的滤波值，从而使输入输出具有反馈作用。滤波系数越小，滤波结果越平稳，但是灵敏度就会相应的下降，所以说，滤波的平稳性和灵敏度不能100%的全部兼顾，找到最大化的滤波系数就变的尤为重要。

而最大滤波系数的计算方法如下：

4　结束语

随着计算机通信行业的不断发展场，消费者的要求越来越高，基于多核技术在嵌入式系统的产品应该向着高实时性、高效性、低功耗等方面发展。有效地利用多核技术，适应多核技术的开发，对软件开发者提出了更高的要求，正确地选择程序执行模型、更高效率地共享数据和通讯［1］都需作进一步研究。目前，多核处理器时代已经是势不可挡，基于互联网的多核嵌入式系统级设计方法还在研究和探讨之中，因此本文在这方面的研究与探索具有一定的实际价值。

［1］周磊.基于多核环境的并行下载系统研究开发［D］.西安:西安理工大学,2010.

［3］刘霞,刘士彩.嵌入式系统应用现状及发展趋势［J］.科技信息, 2011（2）:247-249.

［5］林彬.并行计算的基本问题及现状分析［J］.中国管理信息化，2014,17（16）:121-123.

［6］盛肖炜.多核处理器内部核间通信研究［D］.沈阳:沈阳理工大学,2013.

［7］冯艳红,张玉明,徐美华.实时调度算法分类研究［J］.微型电脑应用,2005,21（7）:12-14.

［8］伍灵杰.数据采集系统中数字滤波算法的研究［D］.北京:北京林业大学,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稿件编号：201506259

张春丽（1976—），女，陕西汉中人，硕士研究生，讲师。研究方向：计算机教学改革、嵌入式系统。