0 引言

    軍事技術(shù)信息化越來越深入的今天,，傳統(tǒng)加固計(jì)算機(jī)只依靠CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方式已不能滿足對高速計(jì)算的高要求，對于研發(fā)高性能數(shù)據(jù)處理能力的計(jì)算機(jī)技術(shù)的需求已愈發(fā)強(qiáng)烈,。遵守加固計(jì)算機(jī)通用化,、系列化、模塊化的設(shè)計(jì)思路,，在現(xiàn)有通用計(jì)算機(jī)平臺上,，兼容現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系,，提升計(jì)算機(jī)處理能力，是現(xiàn)在重點(diǎn)研究的方向,。

    國際上對高速計(jì)算技術(shù)已發(fā)展的比較成熟,，不斷發(fā)布高速處理器及GPU協(xié)助計(jì)算方法等，計(jì)算加速效果非常良好,。但國外提供的軟硬件存在安全隱患,，可能在處理器及軟件系統(tǒng)中被設(shè)置后門和漏洞^[1]，使我方設(shè)備及數(shù)據(jù)安全性受到嚴(yán)重威脅,。

    深刻挖掘我國自有技術(shù)潛力^[2-3],，開發(fā)自主可控的具有高速計(jì)算能力的技術(shù)至關(guān)重要^[4]。本文提出一種基于國產(chǎn)龍芯處理器的計(jì)算加速技術(shù),，采用3A1500+2FPGA的模式,，搭配我國自主開發(fā)的麒麟操作系統(tǒng)，能夠在軟件硬件方面達(dá)到自主可控,，滿足對高速計(jì)算技術(shù)的需求,。

1 設(shè)計(jì)思路

    為了提高計(jì)算處理模塊的通用性，兼具FPGA計(jì)算定制能力和CPU操作系統(tǒng)兼容性,，CPU+FPGA的模式^[5-6]可以充分發(fā)揮龍芯平臺的特長,，又可彌補(bǔ)高性能計(jì)算方面不足，是一種適合現(xiàn)有軍用需求的設(shè)計(jì)思路,。本設(shè)計(jì)名為基于龍芯3A1500的計(jì)算加速模塊,，簡稱計(jì)算加速模塊。

2 硬件設(shè)計(jì)

    基于龍芯3A1500的計(jì)算加速模塊功能框圖如圖1所示,，以龍芯3A1500處理器為核心^[7],，搭配AMD 780E+SB710芯片組，構(gòu)成模塊硬件主框架,。計(jì)算加速模塊采用高速DDR3內(nèi)存芯片,，結(jié)合兩片高性能FPGA芯片，以提供高性能的計(jì)算能力,。本模塊制版采用標(biāo)準(zhǔn)6U VPX總線架構(gòu),，具有較強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境能力,，適用于對計(jì)算能力要求較高的艦載,、車載設(shè)備。

    龍芯3A1500處理器為龍芯系列4核處理器,，最高工作頻率1 GHz,，片內(nèi)集成2個64位400 MHz的DDR3控制器、2個16位800 MHz的HT控制器,。龍芯3A1500的雙HT總線接口為連接FPGA,，以提高計(jì)算能力的方式提供了高速接口。計(jì)算加速模塊采用AMD 780E芯片作為主模塊的北橋，通過北橋的HT總線接口與龍芯3A1500處理器連接,；通過DDR3顯存芯片實(shí)現(xiàn)顯示存儲空間的擴(kuò)展,；通過北橋PCIE X1接口與Inteli210千兆網(wǎng)絡(luò)芯片連接；利用北橋A-LINK高速總線,，實(shí)現(xiàn)與南橋的互聯(lián),。此外，北橋芯片還提供1路PCIE X16接口（可拆分為2路PCIE X8）和1路PCIE X2接口,，用于系統(tǒng)內(nèi)的功能模塊擴(kuò)展,，并連接于VPX連接器；北橋提供顯示功能,，支持VGA及DVI顯示接口,。南橋內(nèi)部集成豐富的功能外設(shè)接口，包括高速A-LINK,、USB,、SATA以及LPC接口等，USB,、SATA接口可直接從南橋輸出,，PS/2接口可通過南橋的LPC總線掛接SuperIO實(shí)現(xiàn)。

    為實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的計(jì)算能力,，計(jì)算加速模塊搭載兩塊FPGA芯片,，F(xiàn)PGA芯片采用Xilinx公司的高性能VIRTEX-6。FPGA0通過HT總線與龍芯3A1500實(shí)現(xiàn)通信,，并通過PCIE X8總線與北橋780E連接,，外出兩路RapidIO X4高速串行總線，滿足高速數(shù)據(jù)交換的需求,。FPGA1通過PCIE X8總線與北橋780E連接,，外出一路RapidIO X4高速串行總線。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

    電源作為電路運(yùn)行的動力和載體,，電源設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),。合格的電源設(shè)計(jì)，需要在充分了解各器件及電路需求的前提下,，配備好各電源電壓,、功耗分配、紋波干擾等,。通過本設(shè)計(jì)供電電路及轉(zhuǎn)換電源,，提供各器件工作所需電壓，具體的電源分配如圖2所示,。

    本模塊涉及電源種類較多,，設(shè)計(jì)思路為通過統(tǒng)一電源供電,，在模塊設(shè)計(jì)各種電源轉(zhuǎn)換電路，提供各器件工作所需各電壓,。在本設(shè)計(jì)中,，依據(jù)VPX架構(gòu)的特點(diǎn)，電源輸入統(tǒng)一由12 V供電,，理論上可提供300 W以上的功率,，而本模塊功耗在60 W以內(nèi)，可滿足功耗需求,。

    CPU核心電壓CPU_1.1V由12 V直流電源經(jīng)DC-DC模塊轉(zhuǎn)化而來,，最高可提供30 A 1.1 V電源。12 V經(jīng)DC-DC模塊轉(zhuǎn)化為1.5 V,、2.5 V,、1.0 V，分別給予內(nèi)存,、FPGA供電,。5 V電壓由12 V轉(zhuǎn)化提供，后經(jīng)過LDO芯片轉(zhuǎn)化為其他板級電壓,。

2.2 時鐘電路設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)中時鐘設(shè)計(jì)涉及器件主要有龍芯3A1500,、南北橋及FPGA芯片。龍芯3A1500處理器通過外部的晶振等時鐘源提供其所需的工作時鐘,；外接的14.318 MHz晶體通過外部時鐘發(fā)生器,，為南橋、北橋以及PCIE設(shè)備提供其所需的工作時鐘,，模塊的時鐘分配見圖3,。

2.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)原理

    本設(shè)計(jì)采用MAX706決定整個模塊的復(fù)位。首先上電復(fù)位后由VPX連接器提供電源和原始的復(fù)位信號,，主模塊中MAX706負(fù)責(zé)完成對CPU,、南橋和外圍電路的復(fù)位工作，芯片內(nèi)部集成嚴(yán)格的時序邏輯控制電路,，可以保證系統(tǒng)按照嚴(yán)格的時序進(jìn)行復(fù)位,，完成穩(wěn)定啟動。系統(tǒng)可以通過CPU的GPIO信號控制系統(tǒng)整體復(fù)位,。系統(tǒng)復(fù)位電路原理框圖如圖4所示,。

2.4 DDR3電路設(shè)計(jì)原理

    為提高模塊抗惡劣環(huán)境能力，計(jì)算加速模塊內(nèi)存采用全板載DDR3顆粒實(shí)現(xiàn)雙通道設(shè)計(jì)方式,。龍芯3A1500處理器內(nèi)部集成兩路存儲控制器MC0和MC1,，存儲控制器MC能提供標(biāo)準(zhǔn)的DDR3存儲設(shè)備接口,，可以實(shí)現(xiàn)與外部DDR3芯片的數(shù)據(jù)傳輸,。

    龍芯3A1500最多支持4個片選cs,、16 bit行列地址總線和3 bit邏輯bank總線。本設(shè)計(jì)中選用10片DDR3內(nèi)存顆粒,，單片顆粒容量4 Gb,，16 bit數(shù)據(jù)位寬。其中8片組成4 GB運(yùn)行內(nèi)存,，2片組成ECC糾錯內(nèi)存,。所設(shè)計(jì)內(nèi)存電路內(nèi)存頻率為400 MHz。

3 軟件設(shè)計(jì)

    為實(shí)現(xiàn)本文提出的基于龍芯3A1500的計(jì)算加速方法,，需要為計(jì)算加速模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),。計(jì)算加速模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括操作系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)及計(jì)算加速軟件設(shè)計(jì)。對于操作系統(tǒng),，基于軟硬件國產(chǎn)化的需求,，選擇近年來發(fā)展較好的中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)，在中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行對應(yīng)龍芯3A1500平臺的操作系統(tǒng)移植及驅(qū)動設(shè)計(jì),；計(jì)算加速軟件的設(shè)計(jì),，可充分發(fā)揮計(jì)算加速模塊雙FPGA優(yōu)異的計(jì)算性能，協(xié)調(diào)系統(tǒng)合理分配資源,，將FPGA融入到計(jì)算過程中,。

3.1 操作系統(tǒng)移植及驅(qū)動設(shè)計(jì)

    中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核開發(fā)的一套系統(tǒng)，故其驅(qū)動和軟件開發(fā)基本遵循Linux開發(fā)流程,。內(nèi)核移植在技術(shù)上以開源Linux操作系統(tǒng)為主,，采用交叉編譯的方式進(jìn)行移植開發(fā)，修改處理器初始化及硬件驅(qū)動等相關(guān)代碼,，針對處理器架構(gòu)進(jìn)行中標(biāo)麒麟系統(tǒng)移植,。結(jié)合龍芯3A1500處理器硬件平臺的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和開發(fā)龍芯3A1500處理器的支持模塊,。主要完成處理器初始化代碼,、相關(guān)驅(qū)動的修改，使其支持網(wǎng)絡(luò)功能,，支持JFFS2,、YAFFS文件系統(tǒng)^[8]；修改設(shè)計(jì)MTD分區(qū),，使內(nèi)核可以掛載存儲設(shè)備上的文件系統(tǒng),。

3.2 計(jì)算加速軟件設(shè)計(jì)

    計(jì)算加速模塊包含CPU和FPGA，CPU執(zhí)行軟件指令,，F(xiàn)PGA可根據(jù)需要被配置成不同結(jié)構(gòu)的硬件加速器,。硬件加速器的配置及運(yùn)行由處理器(軟件)控制，對軟件編寫提出了較高要求,，需對整個配置過程及加速器的接口細(xì)節(jié)進(jìn)行全面了解方可完成程序構(gòu)建,。軟硬件協(xié)同計(jì)算屏蔽了硬件細(xì)節(jié),，提供一個硬件透明的編程模型，可重構(gòu)硬件以函數(shù)的形式進(jìn)行抽象,，即硬件實(shí)現(xiàn)程序化,，簡單調(diào)用硬件函數(shù)可實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)硬件的搭建。硬件函數(shù)的形式與使用方式與其他軟件函數(shù)庫中的函數(shù)一樣,，整個底層硬件的具體細(xì)節(jié)對其是透明的^[9],。

    硬件函數(shù)的運(yùn)行需要提供相應(yīng)的軟硬件支撐環(huán)境，按圖5所示的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支持硬件透明編程的可重構(gòu)系統(tǒng),。整個系統(tǒng)分為五層,，應(yīng)用層以下是片上系統(tǒng)的軟硬件基本結(jié)構(gòu)，是通用的,。針對不同的應(yīng)用,，只需要編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序即可。

    各層的功能：軟硬件任務(wù)設(shè)計(jì)庫提供了混合任務(wù)編程接口,，結(jié)合軟件函數(shù)庫和硬件函數(shù)庫,，可以按照傳統(tǒng)的軟件編程方式，設(shè)計(jì)出軟硬件高度混合的系統(tǒng),。軟/硬件任務(wù)調(diào)度器和可重構(gòu)資源管理器對硬件函數(shù)的調(diào)用,、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行管理，并跟蹤和管理可重構(gòu)資源,。硬件函數(shù)與軟件函數(shù)在運(yùn)行方式與物理基礎(chǔ)上存在本質(zhì)的差異,，軟件函數(shù)是串行執(zhí)行的指令集合，硬件函數(shù)是二維的邏輯電路,，可以與CPU同步執(zhí)行,，加入相應(yīng)的硬件函數(shù)管理模塊可建立統(tǒng)一的軟硬件運(yùn)行過程?？芍貥?gòu)資源管理器應(yīng)隨時跟蹤管理可重構(gòu)資源的使用情況,，為調(diào)用的硬件函數(shù)分配合適的資源。

4 性能對比測試

    本模塊的創(chuàng)新點(diǎn)是在龍芯3A1500平臺上,，設(shè)計(jì)了通過雙FPGA對龍芯3A1500模塊進(jìn)行計(jì)算加速,，在延續(xù)現(xiàn)有軟硬件環(huán)境的同時，提高國產(chǎn)化計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能,。因此,，在對計(jì)算加速模塊進(jìn)行性能測試時，重點(diǎn)考慮FPGA對模塊加速效果的測試,。

    本文對計(jì)算加速模塊的方法為：在兩個FPGA上不停地執(zhí)行FFT^[10],、DES加密、RK微分方程組、解算π,、快速排序等多種算法,，測試計(jì)算消耗時間，對消耗時間進(jìn)行比對,，得到計(jì)算加速比數(shù)據(jù)。

    加速比τ=加速前消耗時間/加速后消耗時間

    在其他計(jì)算機(jī)平臺上,，選用合適的軟硬件對以上算法以一定方式實(shí)現(xiàn),，測試各計(jì)算時間。將計(jì)算出的數(shù)據(jù)與其他計(jì)算機(jī)平臺進(jìn)行比較,，驗(yàn)證FPGA對計(jì)算加速模塊的加速效果,。

    本測試所選用測試計(jì)算機(jī)平臺為國際通用的X86平臺在我國加固領(lǐng)域應(yīng)用較廣的Intel Core Duo L2400雙核。各測試計(jì)算機(jī)平臺信息如表1所示,。

    各平臺測試計(jì)算運(yùn)行時間對比如圖6所示,。

    龍芯3A1500處理器標(biāo)稱主頻為1 GHz，但在本文所搭建系統(tǒng)實(shí)測時,，其穩(wěn)定工作主頻為800 MHz,，因此本測試中龍芯3A1500工作頻率為800 MHz。

    由圖6可以看出,，即使LS2400為雙核處理器,，在內(nèi)存2 GB的情況下，計(jì)算性能仍然較為優(yōu)秀,，說明X86平臺計(jì)算性能優(yōu)異,。在800 MHz的工作頻率下，龍芯3A1500在計(jì)算性能比之LS2400差異明顯,，3A1500+2FPGA模式可以大大提高龍芯3A1500計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能,，加速比除DES加密計(jì)算略低于5之外(需要對算法繼續(xù)優(yōu)化)，其他算法均超過5,，綜合計(jì)算性能優(yōu)越,。因此本設(shè)計(jì)中，龍芯3A1500+2FPGA的模式大大彌補(bǔ)了龍芯3A1500在計(jì)算處理能力方面的不足,。圖7為統(tǒng)計(jì)3A1500+2FPGA模式下針對各算法的計(jì)算加速比,。

5 結(jié)束語

    本文介紹了基于龍芯3A1500的計(jì)算加速模塊的設(shè)計(jì)方法，包括設(shè)計(jì)思路,、硬件設(shè)計(jì)方案,、軟件設(shè)計(jì)方案，最后給出性能對比測試,。結(jié)果表明,，3A1500+2FPGA模式大大提升了龍芯3A1500平臺的整體的計(jì)算性能，平均計(jì)算加速比達(dá)到5以上,，增強(qiáng)了基于國產(chǎn)化處理器計(jì)算機(jī)模塊的計(jì)算性能,，對于我國加固計(jì)算機(jī)在高性能方向的發(fā)展有著積極的意義,。

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作者信息：

王延鵬

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港222061）