FPGA并行計算抽象接口的設計與實現(xiàn)

作者：時間：2017-06-04 來源：網(wǎng)絡

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本文引用地址：http://2s4d.com/article/201706/348688.htm

1 設計摘要

FPGA芯片具有可編程、可重配置、可并行計算的特點。隨著摩爾定律的發(fā)展，計算科學已經(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)可以輕松將科學計算、邏輯運算、ASIC設計等應用并行化，為了能將該特性普及化，本設計為基于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語言設計的程序，均可通過調(diào)用本設計的接口，把復雜的算法、數(shù)值處理交給FPGA芯片完成，在不需要程序員學習FPGA知識以及使用FPGA開發(fā)工具的前提下，大大地減輕CPU的負荷以及從根本上提高了程序的執(zhí)行效率，是FPGA并行化應用的一次全新嘗試。

2 系統(tǒng)原理與技術特點

系統(tǒng)以基于PC機的Windows操作系統(tǒng)為基礎，將FPGA芯片作為一個PCI Express總線設備，通過PCI Express總線與PC機的CPU通信，在Windows下開發(fā)該PCI Express設備的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)用相應的片內(nèi)模塊進行相應的計算，依靠其并行化的特點，可以將大多數(shù)的算法與數(shù)值處理并行化，最后再將計算結果通過PCI Express總線返回給運行于PC機的C程序，從而實現(xiàn)C程序的并行化，此過程相當于使用外圍的PCI Express設備為PC機的程序提供并行化的硬件加速服務。

傳統(tǒng)的CPU都屬于ASIC器件，存在設計過程復雜，靈活性不高，不可重配置的不足，而作為可重構計算的體系結構代表，F(xiàn)PGA在可重配置和并行運算方面具有獨特的優(yōu)勢。

系統(tǒng)的技術特點有以下幾點：

(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)相應操作系統(tǒng)(如Linux)下的PCI Express設備的驅(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，有非常強的伸縮性，以滿足不同系統(tǒng)設備對數(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條點對點數(shù)據(jù)傳輸通道連接來取代傳統(tǒng)的AGP總線，適合于需要大量復雜數(shù)學計算的應用。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