面向?qū)ΨQ體系結(jié)構(gòu)的FPGA仿真模型研究

隨著元器件制造工藝的不斷進(jìn)步，單片上可集成的晶體管數(shù)急劇增加。納米工藝將使單芯片中晶體管密度達(dá)到每平方厘米包含百億至千億。2010年已出現(xiàn)集成度超過(guò)10億支晶體管的高性能CPU(Intel的Polaris)，2020年將達(dá)到70億。因此，單片多核、眾核等體系結(jié)構(gòu)以其豐富的計(jì)算資源，且處理器核或計(jì)算簇的數(shù)量根據(jù)應(yīng)用計(jì)算量和并行度的需求可擴(kuò)展的特性，成為體系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。
    在芯片設(shè)計(jì)中，需要花費(fèi)極大的人力和物力用于測(cè)試和驗(yàn)證，而其中還有很大一部分測(cè)試工作必須等到芯片樣片出產(chǎn)后才能進(jìn)行，這嚴(yán)重影響了芯片的開(kāi)發(fā)周期和設(shè)計(jì)成本。軟件模擬器可以對(duì)各種規(guī)模的處理器進(jìn)行時(shí)鐘精確模擬，但其模擬精度受限于建模的精度，且隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大和建模精度的提高，軟件模擬的時(shí)間急劇增加直至不可接受。FPGA仿真為芯片設(shè)計(jì)的測(cè)試和驗(yàn)證提供了一個(gè)很好的解決方案，它具有建造運(yùn)行和成品幾乎一樣快的工作原型硬件的能力，同時(shí)又具備可編程和快速可重構(gòu)的靈活性，能夠更加精準(zhǔn)地模擬系統(tǒng)仿存、I／O等行為，因此FPGA仿真能極大降低芯片研發(fā)的固有風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。將被仿真的體系結(jié)構(gòu)稱為目標(biāo)系統(tǒng)，將由FPGA構(gòu)成的仿真平臺(tái)則稱為仿真系統(tǒng)。在仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其仿真規(guī)模嚴(yán)重受限于FPGA芯片的容量，在面向多核、眾核這類具有高擴(kuò)展性的體系結(jié)構(gòu)仿真時(shí)，問(wèn)題更為明顯。若采用更大容量的FPGA或利用多片F(xiàn)PGA仿真，將面臨FPGA開(kāi)發(fā)板重設(shè)計(jì)和多片F(xiàn)PGA互連通信等問(wèn)題。隨著研究的深入，系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，這會(huì)造成研究成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度越來(lái)越高。因此，如何最大化片上資源的利用率，增大FPGA的仿真規(guī)模成為處理器設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)研究中的一個(gè)重要問(wèn)題。
    本文提出了一種面向?qū)ΨQ體系結(jié)構(gòu)的FPGA仿真模型，該模型的核心設(shè)計(jì)思想是：分時(shí)復(fù)用仿真系統(tǒng)中的一個(gè)單元來(lái)仿真目標(biāo)系統(tǒng)中多個(gè)對(duì)稱單元的行為，從而利用較少的硬件資源完成系統(tǒng)仿真，提高FPGA的利用率。

1 對(duì)稱多核體系結(jié)構(gòu)FPGA仿真模型
    對(duì)稱多核如SMP(Symmetry Multi-Processor)體系結(jié)構(gòu)中，通常包含多個(gè)對(duì)稱的處理器核或計(jì)算核心，這里統(tǒng)稱為計(jì)算核。計(jì)算核占據(jù)了多核體系結(jié)構(gòu)的主要硬件開(kāi)銷，且對(duì)稱多核體系結(jié)構(gòu)的硬件仿真平臺(tái)FPGA資源消耗隨計(jì)算核數(shù)目成線性增加。這里提出的對(duì)稱多核體系結(jié)構(gòu)FPGA仿真模型，解耦合計(jì)算核數(shù)目與系統(tǒng)硬件開(kāi)銷的線性關(guān)系，其核心設(shè)計(jì)思想是：在構(gòu)建仿真系統(tǒng)時(shí)，使用一個(gè)與目標(biāo)系統(tǒng)中單個(gè)計(jì)算核等同的處理單元，稱為虛擬計(jì)算單元VAU(Virtual Arithmetic Unit)代替所有的對(duì)稱計(jì)算核，通過(guò)分時(shí)復(fù)用VAU實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算單元虛擬多個(gè)計(jì)算核的行為。
    圖l中的左圖是當(dāng)前具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多核體系結(jié)構(gòu)模型抽象，n個(gè)對(duì)稱的計(jì)算核通過(guò)特定的互連結(jié)構(gòu)連接，其連接關(guān)系由目標(biāo)處理器的工作模式?jīng)Q定；右圖是本文提出的仿真模型。可以看出，仿真系統(tǒng)中采用一個(gè)VAU代替了目標(biāo)系統(tǒng)中所有對(duì)稱的處理單元PU。在對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，計(jì)算頁(yè)控制器VAUC(VAU Controller)控制1個(gè)VAU分時(shí)復(fù)用的方式工作，虛擬多個(gè)PU并行執(zhí)行。分時(shí)的粒度與處理單元之間的耦合度相關(guān)。虛擬計(jì)算單元將目標(biāo)系統(tǒng)中并行執(zhí)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇袌?zhí)行的方式進(jìn)行仿真，以時(shí)間換取空間，減少系統(tǒng)中計(jì)算資源的消耗。BS(Backup Storage)用于存儲(chǔ)VAU虛擬各PU執(zhí)行時(shí)的中間結(jié)果。

2 仿真系統(tǒng)執(zhí)行模式
2．1 多核／眾核體系結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)執(zhí)行模式
    對(duì)稱多核處理器中處理單元之間的耦合度不同，使得對(duì)應(yīng)的仿真系統(tǒng)的執(zhí)行模式也不一樣。多核／眾核體系結(jié)構(gòu)通常采用粗粒度耦合執(zhí)行的方式。如圖2(a)所示．多個(gè)處理單元之間相互比較獨(dú)立，其同步和通信通常處于任務(wù)級(jí)，即多個(gè)處理單元間的通信和同步的次數(shù)遠(yuǎn)小于它們執(zhí)行的指令數(shù)。圖中PUi和PUj之間有一次通信，PUi、PUj和PUk之間有一次同步。對(duì)應(yīng)的仿真系統(tǒng)的執(zhí)行模式如圖2(b)所示，VAU先對(duì)PUi進(jìn)行仿真，執(zhí)行到與通信點(diǎn)時(shí)，將PUi的執(zhí)行信息導(dǎo)入BS，然后VAU對(duì)PUi進(jìn)行仿真，執(zhí)行到與通信點(diǎn)時(shí)，將PUj的執(zhí)行信息導(dǎo)入BS，將PUi的執(zhí)行信息由BS導(dǎo)入VMU，對(duì)PUi的后續(xù)行為進(jìn)行仿真，以此類推，如圖2所示，箭頭每穿過(guò)中線一次，表示計(jì)算頁(yè)切換一次仿真對(duì)象，指向下的箭頭表示VMU的信息導(dǎo)入BS，指向上的箭頭表示BS中的信息導(dǎo)出至VMU。為了減少現(xiàn)場(chǎng)切換的次數(shù)，對(duì)兩個(gè)PU通信時(shí)的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，如圖2(c)所示，VAU仿真PUi執(zhí)行至通信點(diǎn)時(shí)，切換至PUj進(jìn)行仿真，只有在PUj遇到其他同步或通信時(shí)，才進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)切換，否則VAU一直對(duì)PUj進(jìn)行仿真，直至PUj執(zhí)行結(jié)束。PUj執(zhí)行到與通信點(diǎn)時(shí)，PUj將通信數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)緩沖，并寫(xiě)入PUi對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，如圖2(c)中虛線所示。

2．2 SIMD體系結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)執(zhí)行模式
    SIMD體系結(jié)構(gòu)的處理單元之間是緊密耦合的，所有處理單元的執(zhí)行過(guò)程都是嚴(yán)格同步的，即同一時(shí)鐘周期內(nèi)每個(gè)處理單元都對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行完全同樣的操作，如圖3(a)所示。

    在SIMD體系結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)中，必須在邏輯上保持這種完全同步的執(zhí)行模式。本文采用的方式是，一條指令流出之后，讓它在指令流水線中保持n個(gè)時(shí)鐘周期(可以在連續(xù)的n個(gè)時(shí)鐘內(nèi)都發(fā)射同一條指令)，VAU在這n個(gè)周期內(nèi)分別對(duì)各處理單元對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。若將n個(gè)時(shí)鐘周期看作系統(tǒng)的工作周期，則n個(gè)數(shù)據(jù)是在同一工作周期內(nèi)被處理，如圖3(b)所示。這樣則在邏輯上保持SIMD的執(zhí)行模式。

3 仿真系統(tǒng)評(píng)估
    本文的目標(biāo)系統(tǒng)如圖4(a)所示。它由多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)以Torus片上網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成，其計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行擴(kuò)展。對(duì)應(yīng)的仿真系統(tǒng)如圖4(b)所示。在仿真系統(tǒng)中，采用一個(gè)虛擬計(jì)算節(jié)點(diǎn)(VAU)代替目標(biāo)系統(tǒng)中的p個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，圖4(b)以p=4為例，展示了仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。目標(biāo)系統(tǒng)中p個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算操作都由VAU以圖2的工作模式完成。VAU中包含一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)保存存儲(chǔ)器(context backup)，用于保存目標(biāo)系統(tǒng)中p個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的中間結(jié)果。contextbackup的容量為每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)中本地存儲(chǔ)器容量的p倍，這樣，context backup就有足夠的能力存儲(chǔ)p個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的中間結(jié)果，從而減少與外部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)交換，減少VAU的停頓時(shí)間。

    采用FPGA EP2S180(擁有143 520 ALUT，相當(dāng)于18萬(wàn)邏輯門)實(shí)現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)(計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不同)的目標(biāo)系統(tǒng)和基于仿真模型的仿真系統(tǒng)，并利用相應(yīng)的硬件綜合工具Quartus分析仿真系統(tǒng)的FPGA資源開(kāi)銷。系統(tǒng)采用包含1個(gè)cluster的MASA流處理器作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)。為更好地驗(yàn)證仿真模型，流處理器中采用功能裁剪的cluster，如圖4所示，cluster中僅包含3個(gè)計(jì)算單元和1個(gè)I／O單元，并相應(yīng)降低指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量。在仿真系統(tǒng)中，VAU中的processor為流處理器中的核心計(jì)算部件，context backup代替了片上存儲(chǔ)部件，其容量為SRF的p倍。該實(shí)驗(yàn)的目的是分析所提出的仿真模型對(duì)仿真系統(tǒng)的硬件資源消耗和仿真速度的影響。
3．1 資源消耗分析
    圖5是目標(biāo)系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)的FPGA資源消耗統(tǒng)計(jì)。由于布局布線的需求，F(xiàn)PGA芯片的資源使用率最高通常只能達(dá)到70％～80％。圖5中“×”標(biāo)識(shí)表示當(dāng)前配置超出EP2S180的仿真能力?？梢钥闯觯诓徊捎梅抡鎯?yōu)化技術(shù)時(shí)，EP2S180可仿真的最大規(guī)模目標(biāo)系統(tǒng)為24個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)?；诒疚牡姆抡婺Ｐ?，當(dāng)p值等于4時(shí)，EP2S180的仿真能力提高至64個(gè)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)p值等于8時(shí)，其仿真能力提高至96個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)p值增大時(shí)，其仿真能力可進(jìn)一步提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的仿真模型能夠增大FPGA芯片可仿真系統(tǒng)的規(guī)模。

3．2 仿真速度分析
    本文采用矩陣乘運(yùn)算，分別在8、16、32個(gè)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)上執(zhí)行，測(cè)試二者的仿真速度。目標(biāo)系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)的工作頻率為75 MHz。圖6展示了二者的執(zhí)行時(shí)間。

    可以看出，仿真系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間大于目標(biāo)系統(tǒng)。其時(shí)間增量主要是由于仿真系統(tǒng)將目標(biāo)系統(tǒng)中多個(gè)processor并行處理的任務(wù)移植到一個(gè)VAU上串行執(zhí)行造成。仿真系統(tǒng)沒(méi)有改變目標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸路徑和模式，因此，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間并沒(méi)有增加。另外，由于VAU虛擬的p個(gè)pro-cessor共享了存儲(chǔ)空間，仿真系統(tǒng)中消除了p個(gè)processor之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。雖然仿真系統(tǒng)相對(duì)于目標(biāo)系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間有所增加，但其時(shí)間增量處于秒級(jí)。相對(duì)于緩慢的軟件模擬器，并綜合考慮仿真模型對(duì)FPGA仿真規(guī)模帶來(lái)的好處，因此認(rèn)為該仿真模型帶來(lái)的仿真時(shí)間增量是可以接受的。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文提出了面向?qū)ΨQ多核體系結(jié)構(gòu)的FPGA仿真模型，以及基于該模型的多核／眾核、SIMD體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行模式。相對(duì)于軟硬件聯(lián)合仿真方法，該仿真模型減少了軟硬件協(xié)同邏輯并避免了設(shè)計(jì)復(fù)雜的軟件劃分算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，面向?qū)ΨQ多核體系結(jié)構(gòu)的FPGA仿真模型能有效地減少仿真系統(tǒng)FPGA資源的需求，增大FPGA的仿真規(guī)模，并且其帶來(lái)的仿真時(shí)間增量是可接受的。但該仿真模型主要是面向?qū)ΨQ體系結(jié)構(gòu)，而不適用于異構(gòu)多核系統(tǒng)等非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。