动态可重构技术在嵌入式计算机中的应用

吴文庆

摘 要 动态可重构技术是一种新型的计算机重整技术，其不仅能够有效的降低嵌入式计算机系统的功耗和体积，使得计算机系统运作便捷，还能够依据计算机任务的不同实现不同的功能，满足人们多样的任务需求。与此同时，计算机软硬件资源都能够得到充分利用，提升嵌入式计算机的运作水平。因此，本文将对动态可重构技术基本概理进行简要的论述，以动态可重构技术在嵌入式计算机实际应用为主要内容，探讨动态可重构技术应用类型的不同，为未来嵌入式计算机改革和发展提供可参考意见，促进计算机行业的快速发展。

【关键词】动态可重构技术 计算机 应用

随着现代社会的发展，人们对于计算机的要求越来越高，则一般的嵌入式计算机系统，不仅不能够满足人们多样的任务需求，还会由于长时间运作而损坏计算机机体，导致计算机功耗、体积不断增大。在这种情况下，动态可重构技术在嵌入式计算机开始被使用，而如何运用动态可重构技术提升计算机系统运行水平成为工作人员在开发时重点思考的问题。而本文将对动态可重构技术在嵌入式计算机中的实际应用进行简要的分析，下面进行详细的探讨。

1 动态可重构技术分析

动态可重构技术能够对计算机系统内部电路结构状态进行改变，在计算机系统处于正常运作状态时，通过对计算机系统局部电路数据的重新配置，从而达到重新配置电子系统中可编程逻辑器件的目的。按照技术的重构方式可以将动态可重构技术分为两种形式：动态系统重构和静态系统重构。虽然动态可重构技术依据重构方式被分成两种，但在实际的计算机系统运作时，两者是相互存在而不是各不相存，即，在计算机运行中进行系统配置就是动态系统重构，而系统在计算机运行前进行配置，则为静态系统重构。

动态可重构技术在应用的过程中，首先便是对嵌入式计算机进行全部或是局部的动态重构，并产生和记忆此时的数字逻辑，以便节省计算机芯片内区域资源，强化计算机系统动态可重构运作的可靠性和便捷性。此外，依照前文所说，技术实现面积是不同的，因此，根据技术实现的面积不同，将技术分为局部重构和全局重构。局部重构是两种重构中较为简单的一种，即为局部重新配置重构系统，并不影响其他运作状态，不仅减少重构数据和范围，还减短了技术整体运作周期，而全局重构则是全部系统、器件逐一进行全过程的重构。

动态可重构技术的优点是能够在嵌入式计算机软件的基礎上，用硬件设计和结构来实现系统的运作，不仅保持了传统的基于硬件方法的执行速度，还融入了计算机软件的灵活性。此外，其体系结构可变的特点也适合实际应用中人们对于计算机的多元化需求。而随着现代科技的快速发展，动态可重构技术在未来还存在巨大的潜力。

2 动态可重构技术在嵌入式计算机中的应用类型

2.1 部分可重构

部分可重构方法，顾名思义就是对计算机系统中的部分系统进行优化和重构，即在计算机系统运行时，对部分硬件资源进行动态配置，而对其他部分正常运行不造成任何影响。在部分可重构运行时，其会将计算机系统分为两部分：可重构区域和静态区域，这两部区域分别管理和连接不同计算机功能。可重构区域负责计算机部分系统中的动态重构配置，而静态区域则是负责部分系统中关键性任务和基本组件，简单来说，就是在可重构区域中含有大量的运行文件，而静态区域就是开启可重构区域的钥匙。

目前在计算机中实现部分可重构方法的方案分为三种。第一种方案，是在硬件宏差异基础上进行实施，首先先对硬件进行描述和初始化概统，利用具体算法获取电路中LUT的重要内容，然后，再通过智能编辑器对所获取文件信息进行智能生成，在计算机系统中运行；第二种方案，是基于模块化的技术方案，不同时期有不同的运作。在系统运行前，会依据计算机系统内的不同任务对其和电路进行相应模块划分，再通过系统进行控制，生产不同的配置文件并下载完整的配置信息，整体完善计算机系统；在系统运行过程中，计算机系统便会不断依据系统情况进行控制和配置，以便在系统运营后期，顺利替换某些动态模块；第三种方案是利用bitstream的技术方案，首先以帧的形式对系统的编程信息进行详细保存，一旦在系统运行中，某一LUT需要进行修改，系统便会自动寻找相应的帧，并将帧上的信息读取，再进一步修改，确保系统的准确性和灵活性。上文三种实现部分可重构的方案，都是通过对计算机系统硬件资源的分时复用，提高计算机内部资源的利用，促进嵌入式计算机整体系统的运作。

2.2 可编程重构

对于可编程重构方法而言，在嵌入式计算机系统中一般采用软件方法和IP重用技术，实现动态可重构的快速开发。软件代码是在外部通用处理器或是嵌入式处理器中执行的，进而改变系统中数据路径的连接与控制组件的功能配置，实现对嵌入式系统的动态可重构技术应用。简单来说，将系统内部所有信息的数据线路集中一处进行处理，在中心处和外界进行连接和数据交换。

可编程重构的整体运作是比较明确的，按照功能将框架分为三部分：数据层、控制层和现场可编程门阵列，控制层主要是控制数据层，而现场可编程门阵列包含着数据层和控制层。数据层的运作需要数据交换网络和专门的控制接口，在组件间关系的动态配置中，给予系统数据支持，并用控制接口接受处理器的命令，以此实现对功能组件的重配；而对于控制层部分，计算机硬件结构中的控制接口是其重要接结构，并起到控制数据路径的作用；现场可编程门阵列系统需要大量的技术支撑，例：控制接口、通用接口、系统集成工具等，而其中的通用接口为组件间的相互通信提供了便利。此外，实现数据层的构建和组件功能的配置还需要数据交换网络和专门的控制接口，确保嵌入式计算机系统的正常运行。

3 动态可重构技术在嵌入式计算机中的实际应用

3.1 可重构计算机应用

可重构计算机系统是在部分可重构的基础上，依据嵌入式计算机系统特点，加入IP重用技术和多核技术的为嵌入式计算机设计的动态可重构技术系统。而其系统结构也是与部分可重构结构相似的，先在计算机内部依据不同功能将电路划分和集合，形成多个处理单元和交换单元，用高速光纤和配置网络将两者连接形成巨大的现场可编程门阵列系统。与此同时，静态系统重构建立相应的中央处理器和关键词，作为局部信息数据处理的运输路线，再利用高速光纤将现场可编程门阵列和中央处理器连接。

可重构计算机系统的优点是在其系统连接中不仅能够通过高速光纤网络将每个处理单元相互连接，使其成为拥有着能够核心处理信息数据的重要功能，还能够对各个模块中数据进行处理和模块之间的传输，实现良好的系统计算功能，确保系统内部信息处理和运输便捷。

3.2 嵌入式计算机中应用

对于嵌入式计算机来说，一般的计算机系统存在着一定的缺点，例：实际安装复杂、系统运作不灵活、无法及时更新系统软件、计算机资源利用率低等；而动态可重构技术在嵌入式计算机运行中，不仅能够避免一般计算机系统运行中存在的缺点，还能利用计算机内有限信息资源进行重新组合，增加计算机硬件和软件自身的可扩展性、高灵活性、高性能的处理结构。在该技术系统中，会根据计算机中央信息处理器所提供的具体任务要求，对内部的数字逻辑资源进行动态配置，选择适合任务要求的最优组合。与此同时，为实现计算机芯片内部的信息交换和记录网络的目的，技术中还利用了NOC技术，将IP核之间的连接加强，点对点的通信连接加强。在现场可编程门阵列中，为计算机系统加入了可重构接口和微处理核，给予系统更多的重配置和自主控制，提高计算机芯片内的交互网络的扩展性。此外，如何降低嵌入式计算机系统的开发风险和周期，也是动态可重构技术应用的重要一点，则IP重用技术将成为应用中的关键。IP重用技术的使用，将影响到计算机能系统否控制现场可编程门阵列内部芯片的基础组件，进行终端控制器等任务，一旦IP重用技术使用顺利，不仅能使计算机系统的可复性增强，还便于快速开发适应更多类型的嵌入式计算机系统。

4 总结

伴随着嵌入式計算机的迅速发展，对于计算机内部的数字逻辑系统功能复杂化的要求也越来越高，而一般的计算机系统显然不能再满足其未来发展的需求，可重构技术显然更加适合现代计算机的发展。可重构技术在嵌入式计算机中的应用将成为计算机未来发展的关键，其能够真正做到将计算机内部资源的利用率提高，合理配置数据路径，让嵌入式计算机系统实现更大的逻辑设计，拥有更大发展前景，促进计算机行业的长远发展。

参考文献

[1]张朝鑫.动态可重构技术在嵌入式计算机中的应用[J].电脑知识与技术，2014（22）：5373-5374+5376.

[2]陈敬谦，梁明.基于CPLD的可重构技术在嵌入式检测设备中的应用[J].信息化研究，2009（03）：56-58.

[3]赵谦，赵小冬，刘作龙.机载嵌入式动态可重构计算机设计[J].航空计算技术，2013（02）：113-116+119.

[4]李淑侠，魏广平.动态可重构可穿戴计算机软件平台的设计与实现[J].物联网技术，2014（06）：50-51.

[5]潘兴武，吕志强.基于可穿戴计算机的动态重构硬件模块设计[J].电子科技大学学报，2010（S1）：50-53.