中文引用格式： 劉紅偉，周宇，李茂嬌，等. 一種基于FPGA資源的并行計算系統設計及實現[J]. 電子技術應用，2025，51(12)：8-13.
英文引用格式： Liu Hongwei，Zhou Yu，Li Maojiao，et al. Design and implementation of a parallel system based on FPGA resources[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(12)：8-13.
引言
隨著電子工業水平的發展，FPGA的性能不斷提升，FPGA已經有足夠的能力將某個問題的完整算法配置在其中，結合FPGA并行計算與可重構特性，可將FPGA劃分為多個可重構區域進行并行計算實現高性能計算。在航空航天、通信服務、醫療、智能終端中，高性能嵌入式計算起了至關重要的作用[1]。Sun公司提出了SPARC高性能嵌入式計算平臺，在電信服務、醫療成像方面已經得到了廣泛的應用。高性能FPGA資源設備廣泛應用的同時，高性能系統的編譯也是重要的一部分，傳統的編譯方法在應對大規模的單元時總是會顯得力不從心，效率低下，傳統的FPGA設計流程（綜合->布局布線）在面對數百萬乃至上千萬個邏輯單元的大規模設計時，編譯時間（尤其是布局布線階段）可能長達數十小時。這不僅嚴重拖慢了開發迭代速度，也極大地限制了FPGA在需要快速重構的場景中的應用。迫切需要研究出合適的嵌入式FPGA資源系統架構，提升資源的利用效率。
如今，將FPGA作為主要計算器件成為高性能智能計算平臺的一部分與其他類型計算資源協同工作已經成為研究的熱點之一[2-4]，但是適應高性能計算的軟件系統發展還遠遠達不到需求，可重構高性能嵌入式多FPGA并行計算系統成為嵌入式高性能智能計算平臺里的軟件系統的重要組成部分[5-7]。
可重構系統的早期研究[8]中實現了針對傳統的操作系統的擴展，該操作系統雖然支持多任務、多線程，但是每個任務的線程只能按照設計好的調度流程順序執行，而不能做到并行執行，所以該系統并不是具有實際意義的多任務、多線程操作系統。IMEC(Inter University Micro Electronic Center)的研究人員[9]提出了一個可重構操作系統(Operating System for Reconfigurable Systems，OS4RS)，該系統可以實現多任務的創建、執行、刪除，多任務間的數據通信，不同任務間的動態切換等。同時該系統可以實時跟蹤各任務的執行狀態。復旦大學的研究人員以 μC/OS-II 實時操作系統為原型[10]，提出了SHUM UCOS(Software-Tasks Hardware-Tasks Uniform Management UCOS)，該操作系統可以進行統一的多線程編程模型，支持可重構的實時操作系統。該操作系統在管理硬件線程和軟件線程時使用統一的平臺，這樣將可以極大地縮短線程調度的時間。它還可以實時跟蹤和管理可重構硬件資源的使用情況, 可根據硬件線程所需資源進行預配置，從而有效地提高資源利用率。雖然在μC/OS-II基礎上有些提升，但是該系統只支持全局靜態可重構。總體來說，國內在可重構系統的研究上還是處于起步階段，還在奮力地追趕中，但是與可重構計算系統相關應用的研究也在同步開展。
本文結合FPGA實時操作系統和高性能計算平臺調度系統用來實現FPGA硬件資源合理劃分，應用功能靈活部署，通過FPGA實時操作系統中的可重構計算單元針對動態區資源靈活調度，控制計算單元的起停，使得計算單元功能算法可獨立脫耦設計。同時，動態區資源的分割，接口界面清晰，能夠實現不同團隊同時獨立為不同的可重配置區域進行設計、編譯和驗證，將一個巨大的編譯任務拆分成多個小型編譯任務，編譯時間從O(n2)降低到接近O(n)，極大提升系統功能開發和集成效率。
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作者信息：
劉紅偉1，2，周宇1，2，李茂嬌1，2，
潘靈1，2，賈明權1，2，張昊1，2
（1.西南電子技術研究所，四川 成都 610036；
2.敏捷智能計算四川省重點實驗室，四川 成都 610036）
