基于NIOS II多处理机技术的的网络数据处理研究

1 SOPC的嵌入式开发技术概述

　　这些年以来，计算机网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）进入了飞速发展时期，这种快速发展给人们带来了极大便捷，但并且也带来了数据信息在处理、存储、传输和应用时，容易被窃取和篡改等难题。现在的网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）数据安全办理，有多种方法可用于网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）安全协议处理，常用的大抵分成ASIC（Application Specific Integrate

　　d Circuit）和可编程方法两类。ASIC方法是系统完全由硬件来实现，其特征是速度快，本钱高，纯软件方式性能低，存在一定的安全隐患，并且几乎没有灵活性和可扩展性，必要很高本钱和较长的设计时间；可编程方法主要有两种类型：NP（Network Processor）和FPGA（Field Programmable Gate Array），NP提供的是以处理器为中心的可编程本领，而FPGA提供的是以硬件为中心的可编程本领。NP方法应用RISC处理器结构进行网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）数据包处理。支持这一方法的器件称为网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）处理器，并且是软件可编程的。NP包括多个优化的嵌入式RISC CPU，以提供可编程本领和用于通用数据包处理功能。其设计理念是应用硬件电路处理数据包的分类和修改，而应用RISC引擎进行上层办理。NP中的多处理器引擎配置成不一样的架构以优化关键的路径延迟，在配置每个RISC引擎时，使得专用的RISC引擎不可以再以高级语言编程，从而迫应用户应用微代码/汇编语言，并且削弱了提供灵活性和时间优势这一网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）处理器面临的根本基础，应用起来非常麻烦。对于SOPC（System On Programmable Chip）嵌入式开发技术的FPGA方法，具有高度并行逻辑结构的可编程器件，可提供由用户自定义的性能和灵活性组合，对任何高速并行数据处理都非常抱负。FPGA内部可以嵌入RISC软核，应用FPGA内部的硬件可编程特性，和很强的灵活性和可扩展本领，大幅度地提升系统性能。由于FPGA没有内置的网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）处理功能，用户可经过在FPGA内增加网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）系统所要求的特性，应用硬件描述语言（HDL）、知识（知识是人类生产和生活经验的总结）产权核心（IP）和C语言对其进行硬件编程。SOPC为网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）安全协议的实现提供了一个极灵活的处理方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划）。应用FPGA器件，可以在单片器件内集成范围广泛的硬和软IP核，此中的硬件和固件具有可升级本领。SOPC的嵌可编程本领，缩短了系统开发时间，使单个FPGA处理方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划）更适用于设计需求，可以在整个开发周期中对系统进行优化，并且还为硬件和软件设计提供了灵活、方便的方法，需要成为今后网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）数据处理技术发展的一个方向。

　　2 多处理器系统处理方案

　　在嵌入式系统中实现网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）协议、暗码算法处理的方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划）主要有ASIC、NP、FPGA、纯软件方式等，其系统内部一般为有一个CPU，每一个时刻CPU只能执行一条指令。该系统内部既然可以采用并行技术，如指令流水线、多个ALU单元和专用的协处理器等，但这些并行技术只能提升次序程序的指令执行速度，它无法提供进程级、作业级的并行性。采用多处理器、多指令多数据流（MIMD）系统，可以提供高级并行性，它经过并行处理实现最大的效率与功能，高级并行不但可以是多个处理器并且操纵，并且并且还能够是多个程序（进程）在同一时间片内执行。在具体的实现上可以是多处理器，多计算机、也可以将多处理器系统作为多计算机系统中的结点，构成一种混合的多处理机。MIMD实现方式与曾经的SISD（单指令流单数据流）实现方式相比，增加了单位时间内的数据流，它经过卸载单个处理器任务的策略来提升系统整体性能，经过根据任务的分类来组织任务执行，将不一样类型的任务放在不一样的CPU中执行，任务间的协调是经过共享存储器中的公共变量或Send/Receive操纵原语来实现。该系统中给每个CPU分配了特定的任务，在这些任务中，大概会存在对特定I/O设备的访问，降低CPU对每个外部设备的访问要求。MIMD在硬件架构上更适于用多处理机实现，可以经过共享的存储器在不一样的CPU上实现不一样的专有任务，并且根据系统级任务进行分类，它提供了更高级别的并行性，将相关的任务放在同一CPU内执行，由各CPU之间并行地完成系统级任务，从一定程度上降低了进程间因互相迁移而造成的通信时间，系统级的任务大概要求CPU可以访问每个外部设备，要求相关任务在每个CPU执行的等效性，要求每个CPU有等同的硬件架构。实现任务的逻辑分组，更高效的发挥处理本领，可以以较低的时钟频率和功耗实现较高的性能。多处理机中共享的存储器经过ICN（互联网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的））被所有的CPU共享，其ICN的实现方式将决定多处理器的个数及系统性能，当采用总线方式时，其处理器的个数一般不超过4个，当采用交叉开关的方式时可扩展到####个。MIMD系统中多计算机架构为系统级并行提供了方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划），而多处理机为任务级并行提供了方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划），经过并行处理实现最大的效率与功能，并行不但指多个处理器并且操纵，并且指多个程序（进程）在同一时间片内执行。它灵活的方式可以克服SISD系统中CPU大量频繁的数据操纵所消耗大量CPU等待时间，系统由多个SU（System Unit）单元构成，系统可以并行地处理N个系统级任务，SU提供系统级功能，主要完成网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）协议、暗码算法处理功能，由TU（Task Unit）任务单元提供比力单一的任务功能，如TU0完成网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）协议，TU1完成暗码算法。混合方式为系统并行性提供了更多的组合方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划），整个系统可以集成更多的SU单元，SU单元又可以集成更多的TU单元，分层级连的方式扩容了系统的集成本领，极大地提升了系统的并行性。

　　3 对于NiosII的嵌入式网络

数据处理系统嵌入式系统中网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）安全实现的技术主要有关到主机安全技术、身份认证、访问控制、安全传输协议、数据加密、防火墙、安全审计等技术，此中网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）数据传输是基础，数加密技术是核心。现在网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）安全协议的实现上大多采用了单处理器系统（无法提供进程级、作业级的并行性）、并且嵌入式系统中系统的时钟提升空间在时间上日趋饱和，系统在软件上需求也越来越复杂，应用需求也越来越多，对于单CPU的设计方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划）无法适应这样日益复杂的必要。所以，引入多处理机成为一种必然。对于NiosII的可扩展多处理器方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划），较好地处理了CPU之间信息高效交互、缓冲区一致性、任务划分、系统集成度等相关系列难题。NiosII是Nios的第二代产品，其速度更快、资源占用更少，仅保存了32位模式。NiosII是32位RISC嵌入式处理器，其性能可以超过200MIP，由于是软核处理器，具有较高的灵活性，在嵌入式系统中，可以实现从硬件、软件、性能、编译环境等多个方面对处理器，网卡芯片的类型、实现方式等硬件整体架构进行设计。NiosII IDE（集成开发环境）是NiosII嵌入式系统的基本软件开发工具，所有的软件开发任务都需要在NiosII IDE下完成，包括编辑、编译和调试程序。嵌入式系统的软件开发可分为应用程序开发和驱动程序开发两部分。NiosII IDE为用户提供了设备的驱动程序，这便是硬件抽象层（HAL）系统库，用户只要应用HAL提供的各种函数就可以编写应用程序，HAL系统库在NiosII IDE中创建一个新的工程时，由IDE智能化生成。NiosII IDE是和SOPC Builder紧密相关的，假设硬件配置有了变化，HAL设备驱动配置也会自动随之变动，从而避免了由于底层硬件的变化而产生的编程错误。NiosII IDE也为用户自动创建和办理HAL系统库文件提供了极大的方便，用户不用创建或拷贝HAL文件，也不用编辑HAL中的任何源代码。对于NiosII的嵌入式系统开发，必要应用Altera公司的SOPC开发环境，它主要由由三个部分组成组成：IP库（NiosII处理器，Avlon总线，外围设备接口等），SOPC Builde开发工具，IDE软件编译器。其开发整个过程主要有：首先确定系统的需求，如应用系统必要的计算机性能、带宽和吞吐量、接口类型和是否必要多线程的软件等。然后进行硬件设计，应用Altera提供的IP库，在SOPC Builde中添加必要的功能模块，生成一个NiosII系统模块，最后在Quartus中编译生成软件，完成软件设计。在NiosII IDE软件开发环境中，用户并且还能够根据必要编写自定义设备的操纵流程、操纵系统的移植、相应的应用代码等。

　　4 结束语与展望

　　笔者针对嵌入式系统对网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）数据传输、网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）安全协议实现方上，对SOPC技术进行了阐述，提出了多处理器系统处理方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划）和了对于NiosII的软、硬联合的双核的网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）数据处理处理方案（进行工作的具体计划或对某一问题制定的规划）。这种对于SOPC技术、NIOS－II多处理机的网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）数据处理方法将成为今后网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）数据处理技术发展的方向。