基于赛灵思FPGA的硬件加速技术打造高速系统

 

　　设计人员时常需要通过增加计算能力或额外输入(或两者)延长现有的嵌入式系统的寿命。而可编程系统平台在这里大有用武之地。我们曾经希望用安全网络连接功能升级一套网络可编程系统。安全网络连接功能需要加密才能运行安全外壳 (SSH)、传输层安全 (TLS)、安全套接层(SSL) 或虚拟专用网 (VPN) 等协议。这种安全需求与把各种系统接入因特网的需求同步增长，例如，为了启用远程管理与分布式控制系统。

　　因该领域仍在发展并且标准尚未固定，因此成本主要取决于一次性工程费用。所以，FPGA技术能实现最高价值。我们的系统基于 Mi s s i n g L i n k Electronics (MLE) 公司的“软”硬件平台，其 FPGA 灵活的 I/O 能够连接各种传感器和执行器。该平台采用可编程逻辑实现片上系统，以 MicroBlaze ™ CPU或 PowerPC® CPU 作为其核心。 CPU 为操作系统与用户空间应用软件运行 MLE Linux 软件栈。由于采用 MicroBlaze 或PowerPC 作为主 CPU，当运行嵌入式Linux 操作系统外加强大加密功能时该系统显然无法提供所需要的计算性能。况且也无法改变物理硬件。为了实现系统加速，我们使用可编程系统把计算从软件域转移到硬件侧。

　　协处理硬件可编程系统基本上是一个或几个CPU( 运行操作系统与应用软件)的组合，外加一个 FPGA。FPGA 在其中用作灵活的接口“适配器”及协处理硬件。我们可以在单独辅助芯片上实现可编程系统，或者将全部都集成到单个的器件上。我们可以根据 FPGA 器件和 CPU 之间的通信方式，采用不同方法调节系统性能和功能。

　　其中一种方法就是添加对等处理器，通过内存映射状态和控制寄存器与 CPU实现同步。因为通过同一系统总线运行所有通信会很快降低性能，因此我们实际上希望把 CPU 数据流与对等处理器分开。而采用赛灵思 Central DMA 或多端口储存器控制器 (MPMC) 等片上系统组件能够轻松满足上述愿望。

　　另外，也可以增加一个协处理器，这种情况下能通过增加自定义指令(也叫编译功能)有效地扩展 CPU 的指令集。例如，它适合浮点单元，而且赛灵思结构协处理器模块 (FCM) 技术能轻松支持上述功能。此处的优势是在 CPU 和协处理器之间使用一条从内存到系统总线的专用通信通道。对于 PowerPC，其为辅助处理单元 (APU)，而对于 MicroBlaze，则是快速单工链路 (FSL)。

　　

 

　　图 1 — 在采用 Valgrind 工具的 SCP 传输中，AES 加密占用三分之二的计算任务。