基于虛擬化技術的FPGA開發(fā)平臺設計

張海平，萬 清

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

FPGA（Field Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。當前，中國所采用的FPGA芯片基本依賴于進口，受制于國外巨頭公司的壟斷，在芯片型號和封裝類型等方面都受到很多限制，成本壓力很大，在國防戰(zhàn)略安全方面也有很大的風險。與ASIC不同，F(xiàn)PGA是由存放在片內RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，用戶需要對片內的RAM進行編程。FPGA產品不僅包含F(xiàn)PGA芯片，還必須提供配套的EDA軟件才能使用。配套的EDA軟件的主要功能包括設計輸入、綜合、仿真、實現(xiàn)和下載，涵蓋用戶FPGA 編程的全過程。

研發(fā)具有自主知識產權的FPGA芯片及其配套的EDA工具具有重要意義，已成為一個迫在眉睫的問題。自主千萬門級FPGA產品開發(fā)平臺集成了軟件開發(fā)和芯片設計兩種環(huán)境，用于研發(fā)具有自主知識產權的千萬門級FPGA產品。軟件開發(fā)環(huán)境集成了 Microsoft Visual Studio和其他軟件開發(fā)工具，用于開發(fā)與FPGA芯片配套的EDA軟件。芯片設計環(huán)境集成了一套滿足pdk庫要求的EDA工具，用于開發(fā)FPGA集成電路芯片。兩種環(huán)境集成在一個平臺上，便于軟件開發(fā)工程師和芯片設計工程師之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。

2 FPGA開發(fā)平臺架構

系統(tǒng)集成（SI，System Integration）是以用戶的應用需要為出發(fā)點，綜合應用各種計算機網(wǎng)絡相關技術，適當選擇各種軟硬件設備，經過相關人員的集成設計、安裝調試、應用開發(fā)等大量技術性工作，使集成后的系統(tǒng)能夠滿足用戶對實際工作的要求，開發(fā)出具有良好性能的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的全過程。FPGA開發(fā)平臺的系統(tǒng)集成以虛擬化技術為基礎，集成了軟件開發(fā)和芯片設計兩種環(huán)境。虛擬化技術是對物理資源（CPU、內存、網(wǎng)絡等）的邏輯表示，以降低物理資源不同層次之間的耦合程度，使系統(tǒng)所需資源不受物理資源的限制，從而獲得高性能、高可擴展性等特性。通過應用虛擬化技術，實現(xiàn)主機和存儲資源的一體化整合、主機和存儲資源的共享利用，提高資源利用率。

虛擬化軟件品牌有VMWare（免費的是ESXi，收費的是vSphere）、思杰（免費的是XenServer，收費的是Essentials）、KVM、微軟（Hyper-V）等。VMWare的vSphere相對比較成熟，可以安裝于大多數(shù)操作系統(tǒng)。通過服務器虛擬化，可以將一臺服務器當做N臺服務器來使用，比如一臺性能強勁的物理服務器可以虛擬出數(shù)臺虛擬服務器，這樣對于計算能力要求不高的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多個系統(tǒng)在一臺物理服務器上運行而不會互相影響。多臺物理服務器可以組建服務器集群，使用相應管理軟件來托管，實現(xiàn)負載均衡和故障轉移。服務器集群包括運行服務器和存儲服務器。運行服務器承載計算負載，存儲服務器承載存儲負載。服務器集群將運行服務器組構成一個虛擬化資源池，然后將虛擬化計算資源重新劃分，并分配給桌面虛擬機的實例。虛擬機實例能夠無縫運行電腦操作系統(tǒng)和應用。根據(jù)同一個虛擬機模板復制、創(chuàng)建而成的桌面虛擬機實例具有相同的配置和功能。當服務器集群中的某個物理服務器出現(xiàn)異常時，其上面運行的虛擬機實例可以快速地遷移到其他物理服務器上繼續(xù)運行。存儲服務器上存放所有的桌面虛擬機實例，集中存儲用戶配置文件、用戶資料及虛擬機OS鏡像。

本文的FPGA開發(fā)平臺選用VMware ESXi5.1作為服務器虛擬化軟件，平臺總體框架如圖1所示。

圖1 FPGA開發(fā)平臺總體框架

（1）用5臺戴爾R720物理服務器組建服務器集群，用NetApp FAS3210提供共享存儲。服務器集群提供一個虛擬化層，該層可將物理主機的處理器、內存、存儲器及網(wǎng)絡資源等抽象化為多臺虛擬機。

（2）vCenter Server是整個虛擬化架構的管理中心，主動監(jiān)控客戶端設備與桌面虛擬機的連接狀態(tài)，當客戶端設備請求與桌面虛擬機斷開連接時，vCenter Server便會結束會話、斷開此連接，根據(jù)相應的調度策略釋放虛擬機資源，對桌面虛擬機實例做相應的處理。vCenter Server同時動態(tài)地監(jiān)測服務器的負載情況，保證將用戶連接到負載最輕的服務器，并保證任何服務器出現(xiàn)故障后自動把用戶引導到正常工作的服務器上。

（3）vShere Client用作虛擬機的管理控制臺，提供vCenter Serve和ESX主機的管理界面。

（4）按照FPGA芯片設計流程，在兩臺高性能服務器上集成FPGA芯片設計流程中各個階段所需要的Cadence、Synopsys、Mentor等公司的各種EDA工具。

（5）本地用戶使用SunRay瘦客戶機訪問各自的虛擬機，遠程用戶使用SGD訪問各自的虛擬機。本地或遠程訪問都是通過SunRay server或SGD Server推送桌面到終端，在服務器和終端之間傳輸?shù)膬H僅是鼠標鍵盤的輸入和屏幕的變化量，終端只負責交互，所有計算和存儲都在服務器端完成。

3 FPGA開發(fā)平臺構建實施步驟

依據(jù)上述設計方案，具體實施的關鍵步驟如下：

（1）在5臺戴爾R720物理服務器上安裝VMware ESXi 5.1操作系統(tǒng)。在其中一臺ESXi主機上安裝vCenter Server，在管理用PC機上安裝vShere Client。在vShere Client上登錄到vCenter Server，建立主機集群cluster，將5臺主機加入cluster，將NetApp分配的存儲加入數(shù)據(jù)存儲群集，為每個vlan建立對應的虛擬交換機。至此，一個完整的虛擬化層構建完畢。

（2）新建幾個虛擬機，分別安裝Windows 2008 R2、Windows7、Windows8、Solaris10、Redhat Enterprise等操作系統(tǒng)，并將安裝好的操作系統(tǒng)轉換成模板。

（3）從模板部署虛擬機，分別建立SunRay server、SGD server、SGD GateWay server、AD server、exchange server、ftp server、svn server、bugzilla server、NTP server、NIS server、FLEXlm server等服務器。

（4）根據(jù)EDA工具對操作系統(tǒng)版本的要求，分別在兩臺高性能服務器（戴爾R910，每臺1T內存，40核CPU）上安裝Redhat Enterprise 4 update 8和Redhat Enterprise 5 update 8兩個版本的操作系統(tǒng)。集成電路芯片設計集成環(huán)境IDE（Integrated Development Environment）需要滿足foundary廠家PDK庫的要求。PDK（process design kit）是溝通IC設計公司、代工廠與EDA廠商的橋梁。PDK用代工廠的語言定義了一套反映foundary工藝的文檔資料，包含了反映制造工藝的基本數(shù)據(jù)集。根據(jù)PDK對EDA工具及版本的要求，在兩臺高性能服務器上按照FPGA芯片設計流程，集成了設計流程中各個階段所需要的Cadence、Synopsys、Mentor等公司的EDA工具。

（5）安裝版本控制和缺陷追蹤等管理軟件。在整個FPGA開發(fā)流程中，無論是配套EDA軟件的開發(fā)還是FPGA芯片設計，每一個設計環(huán)節(jié)都需要一個團隊來完成。在多團隊緊密合作開發(fā)流程中，版本控制和缺陷追蹤等管理軟件是必不可少的。在FPGA開發(fā)平臺上，安裝了SVN、SOS版本管理軟件和Bugzilla缺陷追蹤軟件。SVN是開源軟件，適合配套EDA軟件開發(fā)中的代碼版本控制和芯片設計流程中的文檔版本管理。SOS是ClioSoft公司開發(fā)的集成電路設計數(shù)據(jù)版本控制軟件，支持Cadence公司virtuoso平臺的DFII。 開源的Bugzilla是一個搜集缺陷的數(shù)據(jù)庫，它用于記錄和管理產品缺陷從發(fā)現(xiàn)到修復的全流程。

（6）從模板部署虛擬機，按設計工作需求，為每位用戶分配一臺或兩臺虛擬機。每臺虛擬機均按需求配置好軟件開發(fā)編程、文檔處理、郵件通訊等環(huán)境。為保障FPGA開發(fā)平臺穩(wěn)定運行和資源的充分利用，需要對平臺中的虛擬機進行合理的調度，確保虛擬化服務器集群的負載均衡和存儲系統(tǒng)的負載均衡。在優(yōu)化過程中需要分析虛擬機的歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計虛擬機資源的使用情況，對分配不合理的虛擬機進行優(yōu)化，為每個虛擬機分配合理的計算能力（CPU和內存）以及存儲和網(wǎng)絡流量。

（7）登錄SunRay server，將分配給用戶的虛擬機和集成電路芯片設計集成環(huán)境發(fā)布到對應的SunRay終端。打開Windows虛擬機上的遠程登錄服務，選擇僅允許運行使用網(wǎng)絡級別身份驗證的遠程桌面的計算機連接。Linux操作系統(tǒng)配置XDM服務以允許遠程登錄。

（8）登錄到SGD Server，發(fā)布用戶對應的虛擬機和集成電路芯片設計集成環(huán)境。SGD（Secure Global Desktop）是一個跨平臺的應用軟件，具有Web化、跨域的安全訪問控制、優(yōu)化的遠程訪問效率和靈活的用戶認證等特點，可以快速實現(xiàn)網(wǎng)絡應用的集中管理和發(fā)布、安全地實現(xiàn)遠程應用訪問。在FPGA開發(fā)平臺中，軟件開發(fā)環(huán)境和集成電路芯片設計環(huán)境中的各種應用，如linux系統(tǒng)的EDA工具、windows系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具等應用程序，都可以通過SGD遠程顯示，遠程用戶用IE瀏覽器或Firefox瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)就能夠使用FPGA開發(fā)平臺上的各種應用軟件。

4 FPGA開發(fā)平臺應用

在FPGA開發(fā)平臺上已經完成第一個全自主千萬門級FPGA的MPW芯片設計。設計團隊采用中芯國際SMIC 40 nm CMOS技術，用正向設計的方法，設計基于SRAM配置的面向高性能通用邏輯與信號處理的自主千萬門級FPGA器件。器件含有數(shù)字ASIC電路、全定制電路、數(shù)?；旌想娐芬约癿emory complier等。

5 結束語

FPGA開發(fā)平臺采用虛擬化的網(wǎng)絡架構，集成FPGA軟件開發(fā)環(huán)境和集成電路芯片設計環(huán)境，利用SVN、SOS版本控制和Bugzilla缺陷管理軟件，進行設計數(shù)據(jù)和文檔的規(guī)范化、標準化管理，實現(xiàn)了設計數(shù)據(jù)的版本可追溯、可查詢、可更新。FPGA開發(fā)平臺是為面向高性能通用邏輯與信號處理的自主千萬門級FPGA課題產品研發(fā)建立的設計平臺。在FPGA開發(fā)平臺上，已經完成第一個全自主千萬門級FPGA的第一次MPW芯片設計，打通了數(shù)字ASIC設計、定制設計、數(shù)?；旌显O計全流程。

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