Construindo plataformas personalizadas para Intel FPGA SDK for OpenCL: Conceitos básicos da BSP

Índice

1. Introdução
2. BSP OpenCL
   • O que é uma BSP
   • Plataformas de referência fornecidas pela Intel FPGA
   • Conceitos de design FPGA necessários
   • Uso do software Intel Quartus Prime
3. Componentes de hardware da BSP
   • Arquitetura FPGA
   • Interfaces de comunicação com o host
   • Controladores de Memória externa
   • Componentes OpenCL específicos
4. Componentes de software da BSP
   • Biblioteca MMD (Memory Map Device)
   • Configuração e utilização dos utilitários da BSP
   • Componentes de software específicos do OpenCL
5. Casos especiais e recursos adicionais
   • Comunicação direta entre kernels e interfaces de E/S
   • Utilização de canais de host
   • Desenvolvimento de plataformas para dispositivos SOC
6. Recursos adicionais e treinamentos complementares
7. Conclusão

Introdução

Seja bem-vindo ao treinamento online sobre a criação de BSP personalizada para o SDK Intel FPGA para OpenCL. Nesta primeira parte, discutiremos os conceitos básicos de BSP no contexto do OpenCL, bem como o conteúdo das plataformas de referência fornecidas pela Intel FPGA. Antes de começarmos, é importante que você já possua um conhecimento sólido sobre a linguagem OpenCL, o fluxo de compilação para FPGAs e as funcionalidades do SDK OpenCL da Intel FPGA. Se você não está familiarizado com esses conceitos, recomendamos que consulte nossos outros treinamentos online sobre o tema.

BSP OpenCL

O que é uma BSP?

Uma BSP (Board Support Package) é um conjunto de componentes de hardware e software que permite que o compilador OpenCL da Intel FPGA crie imagens FPGA personalizadas a partir do código do kernel OpenCL para sua placa personalizada. Ao criar uma plataforma personalizada corretamente, você obterá hardware personalizado para sua FPGA em um tempo relativamente curto, além de permitir que seu código do host OpenCL se comunique facilmente com sua placa FPGA.

Plataformas de referência fornecidas pela Intel FPGA

A Intel FPGA fornece várias plataformas de referência que podem servir como pontos de partida para o desenvolvimento de uma plataforma personalizada. É importante notar que, se você estiver usando uma placa FPGA preferida pela Intel FPGA para o OpenCL, fornecida por um de nossos fabricantes de placas, você deve baixar a plataforma do fabricante da placa em vez de criar uma plataforma personalizada.

Conceitos de design FPGA necessários

Para criar uma plataforma personalizada, você deve ter um bom entendimento dos conceitos de design FPGA, incluindo:

• Arquitetura FPGA
• Conceitos de E/S de Alta velocidade
• Controladores de memória implementados em FPGAs
• Interface de comunicação host-FPGA, geralmente PCIe
• Conceitos de configuração FPGA, incluindo reconfiguração parcial
• Conceitos de compilação Incremental para preservar um fechamento de timing para sua periferia
• Conhecimento do software Intel Quartus Prime e sua ferramenta de projeto de plataforma
• Análise de tempo estático e fechamento de timing

Uso do software Intel Quartus Prime

O software Intel Quartus Prime é uma ferramenta essencial no desenvolvimento de uma plataforma personalizada. É usado para criar projetos de hardware FPGA e compilar o design para gerar o bitstream FPGA. Você precisará ser capaz de usar essa ferramenta, bem como a ferramenta Platform Designer para integrar os componentes da sua plataforma personalizada.

Componentes de hardware da BSP

A BSP consiste em componentes de hardware que desempenham papéis cruciais no sistema OpenCL. Aqui estão os principais componentes de hardware que você encontrará na BSP:

• Controladores de memória externa: Os controladores de memória são responsáveis por gerenciar o acesso à memória externa, como DDR (Double Data Rate) ou QDR (Quad Data Rate). Esses controladores são implementados na FPGA e precisam ser conectados corretamente ao host e aos kernels do OpenCL.

• Interfaces de comunicação com o host: As interfaces de comunicação com o host permitem que o FPGA se comunique com o host em tempo de execução. A interface mais comum é o PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), embora outros tipos de interfaces também possam ser usados, dependendo das necessidades específicas da sua plataforma.

• Componentes OpenCL específicos: Além dos componentes básicos de hardware, a BSP também pode incluir componentes específicos do OpenCL, como canais de host para comunicação direta entre o host e os kernels ou pipes para transferência de dados de streaming de baixa latência.

Componentes de software da BSP

Além dos componentes de hardware, a BSP também contém componentes de software que são essenciais para o funcionamento do sistema OpenCL. Aqui estão os principais componentes de software que você encontrará na BSP:

• Biblioteca MMD (Memory Map Device): A biblioteca MMD permite a comunicação entre o software do host e a FPGA. Ela fornece funções para operações de leitura/gravação de registros, comunicação PCIe e outras operações de gerenciamento de dispositivo. É fundamental garantir que a biblioteca MMD esteja corretamente implementada e vinculada ao software do host para garantir a comunicação adequada entre o host e a FPGA.

• Utilitários da BSP: A BSP também inclui uma série de utilitários que auxiliam no gerenciamento e no teste da placa FPGA. Esses utilitários podem incluir programas para instalação de drivers, programação da FPGA, diagnósticos e outros.

• Componentes de software específicos do OpenCL: Além dos utilitários da BSP, existem também componentes de software específicos do OpenCL que são necessários para compilar e executar os kernels OpenCL na FPGA. Esses componentes incluem bibliotecas, cabeçalhos e scripts necessários para a compilação e a execução dos kernels.

Casos especiais e recursos adicionais

Além dos componentes de hardware e software básicos, você também pode implementar recursos adicionais em sua BSP para atender às necessidades específicas do seu projeto. Alguns casos especiais e recursos adicionais incluem:

• Comunicação direta entre kernels e interfaces de E/S: O OpenCL permite que os kernels se comuniquem diretamente com as interfaces de E/S, como Ethernet, através do uso de canais ou pipes. Isso pode ajudar a reduzir a latência de comunicação entre os kernels e as interfaces de E/S. Para implementar essa funcionalidade, as interfaces de E/S devem ser implementadas corretamente no design da BSP e expressas no arquivo board_spec.xml. O compilador de kernels OpenCL irá conectar automaticamente os kernels às interfaces de E/S durante a compilação.

• Utilização de canais de host: Os canais de host permitem que o host envie dados diretamente para um kernel de forma contínua. Isso pode reduzir ainda mais a latência de transferência de dados em comparação com o modelo de programação OpenCL tradicional. Uma plataforma de referência que implementa canais de host está disponível para as FPGAs Intel Aria 10. Consulte essa plataforma de referência e o guia correspondente para obter mais informações sobre a implementação de canais de host em sua própria plataforma.

• Desenvolvimento de plataformas para dispositivos SOC: Se você estiver desenvolvendo uma plataforma para um dispositivo SOC (System on a Chip), como o Intel Cyclone 5 ou o Intel Aria 10 SOC, há algumas diferenças em relação às plataformas de referência discutidas até agora. Nesses dispositivos, o host ARM é responsável pela comunicação com os kernels gerados e há memória global compartilhada entre o host e o acelerador FPGA. Além disso, é esperado que o host esteja executando o sistema operacional Linux. Consulte os guias de referência para obter mais informações sobre o desenvolvimento de plataformas para dispositivos SOC.

Recursos adicionais e treinamentos complementares

Para obter mais informações sobre o desenvolvimento de plataformas personalizadas e a utilização do OpenCL com as FPGAs Intel, consulte os seguintes recursos:

• Intel FPGA OpenCL Developer Zone: O site dedicado ao desenvolvedor OpenCL da Intel FPGA oferece links para download de todas as ferramentas, plataformas de referência e documentação necessárias.

• Guia de Portabilidade da Plataforma: O guia de portabilidade da plataforma específico para a plataforma de referência mais próxima do seu design de placa oferece informações detalhadas sobre como adaptar a plataforma para atender às suas necessidades específicas.

• Guia do Toolkit Personalizado da Plataforma: O guia do toolkit personalizado da plataforma contém informações úteis sobre os componentes de IP OpenCL presentes na BSP de referência, bem como a camada de software MMD.

• Guia de Programação do Intel FPGA SDK para OpenCL: O guia de programação do SDK Intel FPGA para OpenCL fornece informações detalhadas sobre o compilador AOC e o uso do OpenCL com as FPGAs Intel.

• Website de Suporte das Ferramentas de Desenvolvimento da Intel FPGA: O website de suporte das ferramentas de desenvolvimento da Intel FPGA oferece diversos recursos adicionais para ajudar você a aprender sobre o fluxo de compilação tradicional da FPGA, bem como o uso do software Quartus Prime.

Além desses recursos, também existem vários treinamentos online gratuitos disponíveis para complementar seu aprendizado. Recomendamos assistir aos seguintes treinamentos:

• "Running OpenCL on Intel FPGAs": Este treinamento introduz o uso do compilador AOC e como o SDK cria kernels para FPGAs.

• "Introduction to Platform Designer": Este treinamento oferece uma introdução ao uso da ferramenta Platform Designer para criar sistemas FPGA completos.

• "Quartus Prime Software Foundation Class": Este treinamento aborda o uso do software Quartus Prime para todo o fluxo de compilação da FPGA.

Todos esses recursos estão disponíveis no site de treinamento técnico da Intel FPGA.

Conclusão

Neste treinamento, discutimos os conceitos básicos de BSP para o SDK Intel FPGA para OpenCL, analisamos os diferentes componentes de hardware e software presentes em uma BSP e abordamos alguns casos especiais e recursos adicionais que você pode implementar em sua plataforma personalizada. Lembre-se de consultar os guias de portabilidade da plataforma específicos para a plataforma de referência mais próxima do seu design, bem como os guias do toolkit personalizado da plataforma e do SDK para obter informações mais detalhadas sobre o desenvolvimento de uma BSP personalizada. Além disso, aproveite os recursos adicionais e treinamentos complementares disponíveis para aprimorar suas habilidades no desenvolvimento de plataformas FPGA com o OpenCL da Intel.