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[導(dǎo)讀]  1 設(shè)計摘要  FPGA芯片具有可編程、可重配置、可并行計算的特點(diǎn)。隨著摩爾定律的發(fā)展,計算科學(xué)已經(jīng)步入并行化的時代,具有并行處理能力的CPU/GPU隨即面世。而FPGA芯片

  1 設(shè)計摘要

  FPGA芯片具有可編程、可重配置、可并行計算的特點(diǎn)。隨著摩爾定律的發(fā)展,計算科學(xué)已經(jīng)步入并行化的時代,具有并行處理能力的CPU/GPU隨即面世。而FPGA芯片憑借其并行計算的能力,已經(jīng)可以輕松將科學(xué)計算、邏輯運(yùn)算、ASIC設(shè)計等應(yīng)用并行化,為了能將該特性普及化,本設(shè)計為基于C語言開發(fā)的程序開發(fā)了一個FPGA的并行計算接口,凡是以C語言設(shè)計的程序,均可通過調(diào)用本設(shè)計的接口,把復(fù)雜的算法、數(shù)值處理交給FPGA芯片完成,在不需要程序員學(xué)習(xí)FPGA知識以及使用FPGA開發(fā)工具的前提下,大大地減輕CPU的負(fù)荷以及從根本上提高了程序的執(zhí)行效率,是FPGA并行化應(yīng)用的一次全新嘗試。

  2 系統(tǒng)原理與技術(shù)特點(diǎn)

  系統(tǒng)以基于PC機(jī)的Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ),將FPGA芯片作為一個PCI Express總線設(shè)備,通過PCI Express總線與PC機(jī)的CPU通信,在Windows下開發(fā)該P(yáng)CI Express設(shè)備的C程序驅(qū)動,提供函數(shù)接口供C程序調(diào)用。Windows下的C程序通過該驅(qū)動接口向PCI Express總線發(fā)送信號,接入PCI Express總線的FPGA芯片收到該信號后,根據(jù)信號的內(nèi)容調(diào)用相應(yīng)的片內(nèi)模塊進(jìn)行相應(yīng)的計算,依靠其并行化的特點(diǎn),可以將大多數(shù)的算法與數(shù)值處理并行化,最后再將計算結(jié)果通過PCI Express總線返回給運(yùn)行于PC機(jī)的C程序,從而實現(xiàn)C程序的并行化,此過程相當(dāng)于使用外圍的PCI Express設(shè)備為PC機(jī)的程序提供并行化的硬件加速服務(wù)。

  傳統(tǒng)的CPU都屬于ASIC器件,存在設(shè)計過程復(fù)雜,靈活性不高,不可重配置的不足,而作為可重構(gòu)計算的體系結(jié)構(gòu)代表,F(xiàn)PGA在可重配置和并行運(yùn)算方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

  系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn):

  (1)并行化加速的實現(xiàn)無需使用新的編程語言和編譯器;

  (2)利用FPGA的可編程特性以及豐富的IP核資源,可實現(xiàn)多種類型計算的并行化,因此該硬件加速設(shè)備可適用于多個場合;

  (3)可具有跨操作系統(tǒng)特性。只需開發(fā)相應(yīng)操作系統(tǒng)(如Linux)下的PCI Express設(shè)備的驅(qū)動,便可在其他操作系統(tǒng)下使用FPGA的加速功能。

  (4) PCI Express總線采用串行的全雙工傳輸,提供高速的數(shù)據(jù)傳輸率。PCI Express規(guī)格從1條通道連接到32條通道連接,有非常強(qiáng)的伸縮性,以滿足不同系統(tǒng)設(shè)備對數(shù)據(jù)傳輸帶寬不同的需求。例如,PCI Express X1規(guī)格支持雙向數(shù)據(jù)傳輸,每向數(shù)據(jù)傳輸帶寬250MB/s,PCI Express X1已經(jīng)可以滿足主流聲效芯片、網(wǎng)卡芯片和存儲設(shè)備對數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求,而速度更快的PCI Express X16,即16條點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸通道連接來取代傳統(tǒng)的AGP總線,適合于需要大量復(fù)雜數(shù)學(xué)計算的應(yīng)用。PCI Express X16也支持雙向數(shù)據(jù)傳輸,每向數(shù)據(jù)傳輸帶寬高達(dá)4GB/s,雙向數(shù)據(jù)傳輸帶寬有8GB/s之多,因此,選擇PCI Express作為傳輸總線,不會存在系統(tǒng)瓶頸問題。

  (5)PCI總線的資源占用情況

  (6)用戶在編寫程序時,只需要include本文所提供的.h文件,便可調(diào)用.h頭文件中提供的并行計算函數(shù)接口,同時將源代碼與本文提供的對應(yīng)C源文件文件共同編譯,即可通過調(diào)用PCI總線接口驅(qū)動來完成所需的計算。

  3 系統(tǒng)軟件流程

  上圖所示為C程序一次調(diào)用并行計算接口的過程,C程序與FPGA芯片的通信通過PCI Express總線來完成。FPGA芯片根據(jù)接收到的信號來判斷應(yīng)該采用哪個獨(dú)立模塊來進(jìn)行請求的計算。

  上圖所示為多進(jìn)程程序在調(diào)用該并行接口時的過程。關(guān)鍵在于在向FPGA芯片發(fā)送請求信息時附帶發(fā)出該請求的進(jìn)程ID號,這樣在接收總線發(fā)回的數(shù)據(jù)時才能根據(jù)進(jìn)程號對號接收。

  4 系統(tǒng)框架

 

  上圖所示為系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。PC端主要有Windows下的PCI設(shè)備驅(qū)動(采用WinAPI編寫)、PCI Express物理總線;FPGA端主要有PCI Express總線IP核、調(diào)度模塊以及具體各種算法的Verilog HDL模塊。

  5 系統(tǒng)功能

  5.1 PCI設(shè)備驅(qū)動程序功能

  (1)讀寫FPGA芯片數(shù)據(jù)

  (2)緩存請求與結(jié)果數(shù)據(jù)

  (3)調(diào)度多進(jìn)程請求與分配多個進(jìn)程的計算結(jié)果

  (4)異常處理

  5.2 FPGA調(diào)度模塊功能

  (1)相應(yīng)PCI總線請求,判斷需要調(diào)用哪一個算法模塊。

  (2)根據(jù)請求類型調(diào)度相應(yīng)的計算模塊,并將請求的數(shù)據(jù)提供給該模塊

  (3)接收計算模塊回應(yīng)的計算結(jié)果,再通過PCI Express總線接口的IP核將數(shù)據(jù)回送給PC

  5.3 FPGA PCI Express總線接口IP核功能

  (1)通過PCI Express總線讀寫數(shù)據(jù)

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