[發明專利]一種基于FPGA的處理器模擬方法

有效

• 申請號: 201710889867.0
• 申請日: 2017-09-27
• 公開（公告）號: CN107665281B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 陳文智;施青松;王總輝
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/34
• 分類號: G06F30/34;G06F8/61
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 徐展

本發明公開了一種基于FPGA的處理器模擬方法，包括如下步驟：第一步，將處理器分解為處理器模塊；第二步，設置處理器配置文件；第三步，處理器模塊綜合校驗并建立可運行于FPGA上的加載文件；第四步，燒寫加載文件到FPGA上。本發明的方法是以FPGA為基本的硬件平臺，將處理器分解為不同的模塊，通過配置文件將處理器的各個模塊聯系在一起，并燒寫到FPGA上。本方法實現了基于FPGA的處理器模擬，充分利用了FPGA可重配置的特點，提高了處理器模擬的效率和處理器模擬的性能，并提供了更大的靈活性。

技術領域

本發明涉及處理器技術領域，特別是涉及一種基于FPGA的處理器模擬方法。

背景技術

進入二十一世紀以來，半導體工藝的進步和高性能計算的需求推動了計算機系統的迅猛發展，處理器的體系結構發生了巨大變化。作為計算機核心部件的處理器，其性能的提升在很大程度上歸功于半導體工藝的進步和體系結構的發展。半導體工藝的進步和體系結構的發展一直是相互促進的關系，前者是后者的基礎，后者又推動著前者。體系結構發展上的每一次變化都伴隨著芯片上集成晶體管數目的突破，可以說是晶體管數目的“量變”所導致的“質變”。但是由于處理器的制造成本高，在實際的軟硬件開發又需要大量的處理器及其運行時的信息，就需要處理器模擬從而能夠更好的完成此類的工作。在傳統的處理器模擬中，經常是用軟件來進行處理器的模擬，由于單純的軟件模擬速度慢，難以滿足性能方面的要求。

在處理器技術的發展過程中，可重構計算是一個重要的方向?？芍貥嬘嬎?Reconfigurable Computing)的概念最早由Estrin等在1963提出，但是現在的概念與當時已有較大不同，目前所常用的可重構計算是指：系統具有某種形式可編程性的硬件，可通過一系列物理控制點定期的定制硬件的功能，從而可以使用相同的硬件執行不同的應用?？芍貥嬘嬎阌型钛a硬件計算(基于ASIC的計算)和軟件計算(基于通用處理器的計算)之間在性能與靈活性上的鴻溝，從而在獲得高于軟件計算的性能同時保持高于硬件計算的靈活性。

可重構計算的器件通常由計算單元(Computational elements)陣列和連線資源(Routing resources)構成，兩者都是可編程的。計算單元又被稱作邏輯塊(Logic block)，它的功能由一定數量的配置位所決定，邏輯塊之間的互連由連線資源所決定。邏輯塊實現簡單的邏輯功能，經過可配置連線的連接從而實現復雜的定制功能。根據邏輯塊粒度的大小，可重構器件可以分為細粒度結構和粗粒度結構，一些更細化的分類也將粒度大小分為細粒度、中等粒度、粗粒度和超粗粒度。最常見的可重構硬件當屬FPGA(FieldProgrammable Gate Arrays)，有些文獻直接將基于FPGA的計算等同于可重構計算，FPGA就是一種細粒度可重構器件。

一般可重構計算系統都采用可重構硬件和通用微處理器結合的形式，通用處理器執行可重構硬件無法高效完成的操作，例如數據依賴的控制、存儲訪問等，而計算密集的程序熱點則被映射到可重構硬件上完成。根據通用微處理器和可重構硬件的耦合方式，可重構硬件在計算系統中大致可以分為四類：可重構功能單元、可重構協處理器、可重構附屬處理單元和可重構的獨立處理單元。

在商用可重構硬件中，FPGA最為成熟普遍，而它通常作為獨立的芯片甚至板卡的形式存在，所以在現有商用可重構計算系統中，FPGA的使用最多，且多數是以上述后兩種耦合結構存在的，如作為附屬處理單元的有Intel QuickAssist的FSB-FPGA加速系統以及XtremeData的FPGA加速平臺等，作為獨立處理單元的有SRC-7可重構超級計算機等。

對于上述前兩種耦合結構，基于單核處理器的結構的研究很多，但是由于過去半導體工藝的限制，通用處理器性能有持續提升的空間以及可重構計算應用開發的不便等原因導致可重構處理器一直未能廣泛實用。