FPGA和CPU如何搭配?

一個故事理解流水線、并行、緩存、內(nèi)存、存儲

蛋蛋花了一天給小蛋蛋做了一個玩具汽車，沒想到做的太好了，同學(xué)們都來買。蛋蛋一個人忙不過來，就一家人合作生產(chǎn)。蛋蛋負責(zé)把原料分類擺放在桌上，小蛋蛋擰螺絲組裝，蛋媽把玩具放到包裝盒里。三個人采用流水線的方式，每個人都沒閑著，生產(chǎn)效率大為提高，一天能造50個玩具。

隔壁老王看到蛋蛋做玩具賺錢了，也一家三口加入造玩具大軍，慢慢整個小區(qū)家家冒煙，戶戶生產(chǎn)。五十家人采用并行工作的方式，一天能造2500個玩具。

本來，蛋蛋家里的工作臺旁邊有個箱子，叫做緩存。把玩具生產(chǎn)的原料和生產(chǎn)好的玩具放在自己家里，離得又近又速度快。

小區(qū)里家家冒煙后，原料供應(yīng)和玩具運輸需求量大增。居民們在小區(qū)中央建了一個倉庫，叫做內(nèi)存，里面放了很多原料和玩具，看門大爺每天推著手推車到每家每戶去送原料，收玩具，人們給他起了個外號——總線。

鎮(zhèn)長看到蛋蛋家園小區(qū)交的玩具稅日漸增長，為了增加收入，決定建設(shè)玩具小鎮(zhèn)，于是鎮(zhèn)上每個小區(qū)都開始生產(chǎn)玩具，玩具生產(chǎn)規(guī)模日漸擴大。鎮(zhèn)中心建了一個大倉庫，集中存放原料和玩具，倉庫太大了，如果一個個領(lǐng)取太不方便，所以每次提貨或者送貨必須以500個為單位批量領(lǐng)取，這個大倉庫叫做硬盤。

在我們的計算機中，CPU采用流水線的方式工作，把一個任務(wù)分成十幾個步驟，用十幾級流水線計算，速度增長了十幾倍。多核CPU就是并行工作，又能把計算速度提升幾倍。計算速度快了之后，對數(shù)據(jù)的讀寫速度要求變高，所以，現(xiàn)代CPU設(shè)計了先進的緩存系統(tǒng)，可以說，對現(xiàn)代通用CPU來說，緩存才是核心。

可是對某些應(yīng)用來說，CPU有點走歪了，它擅長的是用高頻率把順序執(zhí)行的任務(wù)分解成很多級流水線高速執(zhí)行，但是對于深度學(xué)習(xí)等計算，需要的是大量的并行計算，這時候，CPU的核心數(shù)成了限制。

FPGA的并行性

蛋蛋設(shè)計了一個復(fù)雜的機器叫CPU，它能一條條讀取并執(zhí)行蛋蛋寫好的指令，把任務(wù)分解成很多級流水線，生產(chǎn)出各種各樣復(fù)雜的玩具。

玩具市場總是有新的流行風(fēng)尚，最近突然樂高玩具開始大火，每一個積木都長得差不多，但是很多的積木就可以搭出復(fù)雜的形狀?，F(xiàn)在的家長都希望寓教于玩，讓孩子玩游戲也能動腦筋，蛋蛋看到了這個趨勢，也想生產(chǎn)樂高積木?？墒撬l(fā)現(xiàn)復(fù)雜的機器CPU的生產(chǎn)效率太低了，他需要的是同時大批量幾百上千個機器并行生產(chǎn)，而CPU最多只能同時生產(chǎn)十幾個。所以，蛋蛋又鉆研了一段時間，研制出新的機器——FPGA。這臺機器里面有幾千個小引擎，按照蛋蛋設(shè)定好的任務(wù)，大家熱火朝天地生產(chǎn)自己的小積木。

我們上大學(xué)學(xué)習(xí)的C語言是給CPU編程的語言，它的特點就是寫一個main函數(shù)，里面有很多內(nèi)容，程序啟動后，從頭按順序執(zhí)行到結(jié)尾。這是因為只有一個CPU在運行，程序會轉(zhuǎn)化為指令讓CPU一條條執(zhí)行。

FPGA是并行計算機，它的基礎(chǔ)編程語言叫做Verilog，在這種語言中，每一段程序，都會轉(zhuǎn)化為FPGA芯片里面的一個小計算引擎，大家并行執(zhí)行，熱火朝天的干自己的活。

FPGA和CPU如何搭配

FPGA作為可重構(gòu)計算引擎，一般要和CPU搭配使用。如下圖，可重構(gòu)計算引擎要么直接和CPU緊密相連，要么和緩存相連，前者叫緊耦合，后者叫松耦合。還有一種情況下，F(xiàn)PGA是作為協(xié)處理器coprocessor連到內(nèi)存總線上，和CPU共享內(nèi)存。

如下圖，F(xiàn)PGA作為協(xié)處理器，CPU把指令寫入內(nèi)存，F(xiàn)PGA從內(nèi)存讀取指令執(zhí)行，并把計算結(jié)果寫入內(nèi)存。這種模式的優(yōu)點是簡單易行，協(xié)處理器和CPU分離。瓶頸在于共享內(nèi)存，限制了性能，同時由于通過內(nèi)存交互，CPU和FPGA之間通信延遲變長了。所以適合于FPGA能獨立執(zhí)行的加速任務(wù)，比如視頻編解碼、數(shù)據(jù)加解密等。

下圖是一個松耦合的例子。CPU（ARC）和可重構(gòu)計算邏輯放在一顆芯片里面，CPU可以直接訪問可重構(gòu)計算引擎，而且共享內(nèi)存，可重構(gòu)計算引擎可以通過DMA方式直接讀寫內(nèi)存。同時，我們看到可重構(gòu)計算引擎有自己的數(shù)據(jù)讀寫接口，所以可以脫離CPU獨立工作，打工創(chuàng)業(yè)兩不誤。

再來看一個緊耦合的例子。如下圖，CPU FU是一般CPU的基本計算單元，例如ALU、乘法器、浮點處理器等，RFU跟這些基本單元一樣，放在芯片里面，而且可以直接被CPU的寄存器控制，還能訪問緩存中的數(shù)據(jù)。

總結(jié)一下，協(xié)處理器相當(dāng)于外地當(dāng)官的，只能接受皇帝的命令工作。松耦合就是京城里的官員，可以定期去皇宮跟皇帝嘮嘮嗑。緊耦合已經(jīng)到了外戚和太監(jiān)的地步，能在皇宮里經(jīng)常值班。

松耦合和緊耦合都要在芯片里面放可重構(gòu)計算引擎，成本比較高，但是效率也很高。相當(dāng)于CPU里面有個FPGA，隨時可以編程讓它做不同的計算。處理視頻時，配置成視頻編解碼邏輯，做AI計算時配置成深度學(xué)習(xí)計算器，一個芯片既有CPU，又有可以配置的硬件計算引擎。