面向?qū)ΨQ體系結(jié)構(gòu)的FPGA仿真模型研究

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停?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)
本文提出了面向對(duì)稱多核體系結(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，面向對(duì)稱多核體系結(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對(duì)稱體系結(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)。