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2)多机系统管理
FPGA异构计算平台通过设置全局资源管理器来负责整个系统的资源管理与分配。全局资源管理器由调度器和节点控制器组成,调度器根据系统的容量、队列等条件将计算机节点的内存、CPU网络等资源统一分配到节点控制器,节点控制器负责启动和监控运行在该计算节点上的应用程序,并向全局资源管理器返回该节点的资源占用和任务执行情况。每个计算节点服务器中,FPGA板卡负责算法的计算部分,CPU负责服务器内子任务的管理部分,其任务分配策略可根据不同应用进行灵活定制。多机系统管理机制的引入提高了系统的资源利用率和运算速率。
3)高可用性
大数据处理系统中,工作负载的所有指令和数据都存储在内存中,要求内存访问具有高度的可靠性和灾难恢复功能。该平台中FPGA板卡采用具有8位ECC校验码的DDR4作为片上存储,让系统能够实时检测和纠正单比特错误,并检测多比特错误,防止系统使用破损数据,提高了内存访问的可靠性。另外,该平台中还设计了针对FPGA的故障诊断与容错管理系统。平台设置一台故障检测服务器,实时监控检测各个服务器中配置的FPGA板卡的运行状态。当某个FGPA板卡工作异常时,其所属服务器把该故障信息发送给故障检测服务器,故障检测服务器通知任务管理模块进行任务重新调度,保证系统可持续正常工作。同时,故障检测服务器可以基于故障信息对一个失效的FPGA板卡进行软重启或硬重启,以使得系统恢复更多的可用FPGA板卡,避免系统性能的过早降级。
4)动态可重构
FPGA异构计算平台具有动态可重构的特点。在可重构系统中,可以通过软件控制动态改变硬件电路的结构,使得系统能够兼顾硬件计算的高性能和软件编程的灵活性。基于FPGA的动态可重构能够实现逻辑资源的时分复用,具有节约硬件资源和增强系统灵活性的特点。FPGA可重构异构部件架构示意图如图2所示。
图2FPGA可重构异构部件架构示意图
FPGA应用逻辑划分为通用的静态逻辑和专用的动态逻辑,预先配置FPGA静态逻辑,建立FPGA与CPU的数据通路,高速接口完成目标应用在线切换,实现毫秒级在线动态逻辑重构。能够在系统运行状态下改变可重构模块的逻辑功能,并维持配置过程中系统正常工作。
5)高层次综合编程模型
随着FPGA等系统级芯片的出现,软硬件协调和系统设计变得越来越重要。虽然FPGA异构计算平台在许多应用领域表现出卓越的性能功耗优势,却由于其复杂的设计流程而在通用计算领域未获得广泛应用。面向通用计算的OpenCL高层次综合技术的出现及逐渐成熟使得FPGA算法设计更加易用和高效,真正使得工程师无需关心硬件底层的设计细节,在较高的抽象层次上进行设计。
OpenCL应用程序由主机程序(host)和内核程序(kernel)两部分组成。内核程序采用类C语言的OpenCL语言进行编写,可通过编译平台转换成FPGA上的逻辑电路,并将其作为FPGA的配置数据输出。运行时,主机端的程序通过OpenCL调用运行库,要求已被写入配置数据的FPGA进行内核处理。因此,程序员并不需要具备硬件设计知识即可进行FPGA开发。基于OpenCL实现FPGA逻辑的系统模块框图如图3所示。
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