文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170625
中文引用格式： 王延鵬. 基于龍芯3A1500的計算加速模塊設計方法[J].電子技術應用，2017，43(12)：109-112.
英文引用格式： Wang Yanpeng. Design method of computing acceleration module based on Loongson 3A1500[J].Application of Electronic Technique，2017，43(12)：109-112.
0 引言
軍事技術信息化越來越深入的今天，傳統(tǒng)加固計算機只依靠CPU進行數(shù)據(jù)處理的方式已不能滿足對高速計算的高要求，對于研發(fā)高性能數(shù)據(jù)處理能力的計算機技術的需求已愈發(fā)強烈。遵守加固計算機通用化、系列化、模塊化的設計思路，在現(xiàn)有通用計算機平臺上，兼容現(xiàn)有標準體系，提升計算機處理能力，是現(xiàn)在重點研究的方向。
國際上對高速計算技術已發(fā)展的比較成熟，不斷發(fā)布高速處理器及GPU協(xié)助計算方法等，計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)中被設置后門和漏洞[1]，使我方設備及數(shù)據(jù)安全性受到嚴重威脅。
深刻挖掘我國自有技術潛力[2-3]，開發(fā)自主可控的具有高速計算能力的技術至關重要[4]。本文提出一種基于國產龍芯處理器的計算加速技術，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到自主可控，滿足對高速計算技術的需求。
1 設計思路
為了提高計算處理模塊的通用性，兼具FPGA計算定制能力和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，又可彌補高性能計算方面不足，是一種適合現(xiàn)有軍用需求的設計思路。本設計名為基于龍芯3A1500的計算加速模塊，簡稱計算加速模塊。
2 硬件設計
基于龍芯3A1500的計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，構成模塊硬件主框架。計算加速模塊采用高速DDR3內存芯片，結合兩片高性能FPGA芯片，以提供高性能的計算能力。本模塊制版采用標準6U VPX總線架構，具有較強的抗惡劣環(huán)境能力，適用于對計算能力要求較高的艦載、車載設備。
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，以提高計算能力的方式提供了高速接口。計算加速模塊采用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顯存芯片實現(xiàn)顯示存儲空間的擴展；通過北橋PCIE X1接口與Inteli210千兆網(wǎng)絡芯片連接；利用北橋A-LINK高速總線，實現(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)內的功能模塊擴展，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。南橋內部集成豐富的功能外設接口，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實現(xiàn)。
為實現(xiàn)較強的計算能力，計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 電源電路設計
電源作為電路運行的動力和載體，電源設計是電路設計的基礎。合格的電源設計，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。通過本設計供電電路及轉換電源，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，設計思路為通過統(tǒng)一電源供電，在模塊設計各種電源轉換電路，提供各器件工作所需各電壓。在本設計中，依據(jù)VPX架構的特點，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，可滿足功耗需求。
CPU核心電壓CPU_1.1V由12 V直流電源經DC-DC模塊轉化而來，最高可提供30 A 1.1 V電源。12 V經DC-DC模塊轉化為1.5 V、2.5 V、1.0 V，分別給予內存、FPGA供電。5 V電壓由12 V轉化提供，后經過LDO芯片轉化為其他板級電壓。
2.2 時鐘電路設計
本設計中時鐘設計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設備提供其所需的工作時鐘，模塊的時鐘分配見圖3。
2.3 復位電路設計原理
本設計采用MAX706決定整個模塊的復位。首先上電復位后由VPX連接器提供電源和原始的復位信號，主模塊中MAX706負責完成對CPU、南橋和外圍電路的復位工作，芯片內部集成嚴格的時序邏輯控制電路，可以保證系統(tǒng)按照嚴格的時序進行復位，完成穩(wěn)定啟動。系統(tǒng)可以通過CPU的GPIO信號控制系統(tǒng)整體復位。系統(tǒng)復位電路原理框圖如圖4所示。
2.4 DDR3電路設計原理
為提高模塊抗惡劣環(huán)境能力，計算加速模塊內存采用全板載DDR3顆粒實現(xiàn)雙通道設計方式。龍芯3A1500處理器內部集成兩路存儲控制器MC0和MC1，存儲控制器MC能提供標準的DDR3存儲設備接口，可以實現(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。本設計中選用10片DDR3內存顆粒，單片顆粒容量4 Gb，16 bit數(shù)據(jù)位寬。其中8片組成4 GB運行內存，2片組成ECC糾錯內存。所設計內存電路內存頻率為400 MHz。
3 軟件設計
為實現(xiàn)本文提出的基于龍芯3A1500的計算加速方法，需要為計算加速模塊進行軟件設計。計算加速模塊軟件設計主要包括操作系統(tǒng)相關設計及計算加速軟件設計。對于操作系統(tǒng)，基于軟硬件國產化的需求，選擇近年來發(fā)展較好的中標麒麟操作系統(tǒng)，在中標麒麟操作系統(tǒng)基礎上進行對應龍芯3A1500平臺的操作系統(tǒng)移植及驅動設計；計算加速軟件的設計，可充分發(fā)揮計算加速模塊雙FPGA優(yōu)異的計算性能，協(xié)調系統(tǒng)合理分配資源，將FPGA融入到計算過程中。
3.1 操作系統(tǒng)移植及驅動設計
中標麒麟操作系統(tǒng)是基于Linux內核開發(fā)的一套系統(tǒng)，故其驅動和軟件開發(fā)基本遵循Linux開發(fā)流程。內核移植在技術上以開源Linux操作系統(tǒng)為主，采用交叉編譯的方式進行移植開發(fā)，修改處理器初始化及硬件驅動等相關代碼，針對處理器架構進行中標麒麟系統(tǒng)移植。結合龍芯3A1500處理器硬件平臺的特點，設計和開發(fā)龍芯3A1500處理器的支持模塊。主要完成處理器初始化代碼、相關驅動的修改，使其支持網(wǎng)絡功能，支持JFFS2、YAFFS文件系統(tǒng)[8]；修改設計MTD分區(qū)，使內核可以掛載存儲設備上的文件系統(tǒng)。
3.2 計算加速軟件設計
計算加速模塊包含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構的硬件加速器。硬件加速器的配置及運行由處理器(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節(jié)進行全面了解方可完成程序構建。軟硬件協(xié)同計算屏蔽了硬件細節(jié)，提供一個硬件透明的編程模型，可重構硬件以函數(shù)的形式進行抽象，即硬件實現(xiàn)程序化，簡單調用硬件函數(shù)可實現(xiàn)可重構硬件的搭建。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節(jié)對其是透明的[9]。
硬件函數(shù)的運行需要提供相應的軟硬件支撐環(huán)境，按圖5所示的層次結構設計支持硬件透明編程的可重構系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為五層，應用層以下是片上系統(tǒng)的軟硬件基本結構，是通用的。針對不同的應用，只需要編寫相應的應用程序即可。
各層的功能：軟硬件任務設計庫提供了混合任務編程接口，結合軟件函數(shù)庫和硬件函數(shù)庫，可以按照傳統(tǒng)的軟件編程方式，設計出軟硬件高度混合的系統(tǒng)。軟/硬件任務調度器和可重構資源管理器對硬件函數(shù)的調用、運行狀態(tài)等進行管理，并跟蹤和管理可重構資源。硬件函數(shù)與軟件函數(shù)在運行方式與物理基礎上存在本質的差異，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，加入相應的硬件函數(shù)管理模塊可建立統(tǒng)一的軟硬件運行過程?？芍貥嬞Y源管理器應隨時跟蹤管理可重構資源的使用情況，為調用的硬件函數(shù)分配合適的資源。
4 性能對比測試
本模塊的創(chuàng)新點是在龍芯3A1500平臺上，設計了通過雙FPGA對龍芯3A1500模塊進行計算加速，在延續(xù)現(xiàn)有軟硬件環(huán)境的同時，提高國產化計算機的計算性能。因此，在對計算加速模塊進行性能測試時，重點考慮FPGA對模塊加速效果的測試。
本文對計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，測試計算消耗時間，對消耗時間進行比對，得到計算加速比數(shù)據(jù)。
加速比τ=加速前消耗時間/加速后消耗時間
在其他計算機平臺上，選用合適的軟硬件對以上算法以一定方式實現(xiàn)，測試各計算時間。將計算出的數(shù)據(jù)與其他計算機平臺進行比較，驗證FPGA對計算加速模塊的加速效果。
本測試所選用測試計算機平臺為國際通用的X86平臺在我國加固領域應用較廣的Intel Core Duo L2400雙核。各測試計算機平臺信息如表1所示。
各平臺測試計算運行時間對比如圖6所示。
龍芯3A1500處理器標稱主頻為1 GHz，但在本文所搭建系統(tǒng)實測時，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，在內存2 GB的情況下，計算性能仍然較為優(yōu)秀，說明X86平臺計算性能優(yōu)異。在800 MHz的工作頻率下，龍芯3A1500在計算性能比之LS2400差異明顯，3A1500+2FPGA模式可以大大提高龍芯3A1500計算機的計算性能，加速比除DES加密計算略低于5之外(需要對算法繼續(xù)優(yōu)化)，其他算法均超過5，綜合計算性能優(yōu)越。因此本設計中，龍芯3A1500+2FPGA的模式大大彌補了龍芯3A1500在計算處理能力方面的不足。圖7為統(tǒng)計3A1500+2FPGA模式下針對各算法的計算加速比。
5 結束語
本文介紹了基于龍芯3A1500的計算加速模塊的設計方法，包括設計思路、硬件設計方案、軟件設計方案，最后給出性能對比測試。結果表明，3A1500+2FPGA模式大大提升了龍芯3A1500平臺的整體的計算性能，平均計算加速比達到5以上，增強了基于國產化處理器計算機模塊的計算性能，對于我國加固計算機在高性能方向的發(fā)展有著積極的意義。
參考文獻
[1] 侯玉梅，朱向東.棱鏡門事件對我國網(wǎng)絡安全的警示[J].計算機安全，2014(5)：33-35.
[2] 鄢斌，谷會濤.國產自主計算機軟硬件技術發(fā)展綜合[J].信息安全與通信保密，2015(8)：82-84.
[3] 趙輝，萬俊偉，鮑忠貴，等.自主可控技術在試驗任務領域的應用研究[J].飛行器測控學報，2015，34 (2)：109-114.
[4] 王瑩.龍芯_安全芯片需要真正的自主可控[J].電子產品世界，2015，22(9)：17-19.
[5] 張啟英，劉亞剛，張淑艷，等.基于FPGA的硬件加速器設計的研究與應用[J].計算機光盤軟件與應用，2013(17)：276-277.
[6] 胡亞平.FPGA與CPU高速接口的實現(xiàn)[J].國外電子測量技術，2014，32(4)：66-68.
[7] 龍芯中科技術有限公司.龍芯3A2000/3B2000處理器數(shù)據(jù)手冊V1.2[Z].北京：龍芯中科技術有限公司，2016.
[8] 劉曉楠，趙榮彩，龐建民.軟件移植、二進制翻譯和國產處理器發(fā)展[J].信息工程大學學報，2014，15(5)：613-616.
[9] 王珊，張建志.一種遠程動態(tài)可重構的嵌入式系統(tǒng)設計[J].無線電工程，2014，44(8)：93-96.
[10] 張杰，顧乃杰，張明.龍芯3B處理器上FFT算法向量化研究[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2015，36(7)：1639-1643.
作者信息：
王延鵬
（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港222061）