淺談面向云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的新型解壓縮方法

趙雷 楊懷朋

目的：解決云計(jì)算時(shí)代，海量數(shù)據(jù)傳輸占用超大的帶寬，嚴(yán)重影響了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心中網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的相關(guān)問題。

方法：采用一種面向CPU+FPGA異構(gòu)加速平臺的解壓縮方法，通過采用OpenCL高級語言完成解壓縮算法的描述，然后通過Altera SDK for OpenCL高層次綜合工具實(shí)現(xiàn)解壓縮算法到FPGA硬件執(zhí)行比特流的自動化映射。

結(jié)果：本發(fā)明采用FPGA硬件平臺執(zhí)行解壓縮算法核心模塊，能夠通過并行流水的優(yōu)化方式提高算法的并行度，從而改善算法執(zhí)行時(shí)的吞吐率性能。與通用的RTL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)方式相比，本發(fā)明采用OpenCL語言進(jìn)行FPGA硬件比特流的生成，能夠有效改善算法實(shí)現(xiàn)效率，減少算法實(shí)現(xiàn)的開發(fā)周期。

結(jié)論：設(shè)計(jì)合理的OpenCL描述的gzip解壓縮算法描述，使得可以映射生成更高效的FPGA硬件電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升FPGA對解壓縮算法的硬件加速效果。

一、技術(shù)背景介紹

云計(jì)算是計(jì)算機(jī)時(shí)代又一次新的變革，誕生出很多前沿的技術(shù)和嶄新的模式，逐漸應(yīng)用到社會的各個(gè)行業(yè)，如政府、教育、醫(yī)療、金融、企業(yè)等領(lǐng)域都在從傳統(tǒng)的部署模式向云計(jì)算模式轉(zhuǎn)型，云計(jì)算模式在帶來便利的同時(shí)也使得用戶對云計(jì)算體驗(yàn)有了更高的要求，如云計(jì)算時(shí)代文件的信息量與日俱增，文件的傳輸過程對性能的要求越來越高，就需要有新的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)解壓縮的整個(gè)過程。本文主要介紹云計(jì)算數(shù)據(jù)中心技術(shù)領(lǐng)域中一種面向CPU+FPGA異構(gòu)加速平臺的解壓縮方法。

在云計(jì)算時(shí)代，海量數(shù)據(jù)傳輸需要占用超大的帶寬，嚴(yán)重影響了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心中網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅堋?/p>

基于上述問題，本發(fā)明提出了一種面向CPU+FPGA異構(gòu)加速平臺的解壓縮方法，通過采用OpenCL高級語言完成解壓縮算法的描述，然后通過Altera SDK for OpenCL高層次綜合工具實(shí)現(xiàn)解壓縮算法到FPGA硬件執(zhí)行比特流的自動化映射。在縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的同時(shí)，提高FPGA對解壓縮算法的硬件加速效果。

二、技術(shù)手段的詳細(xì)闡述

（一）技術(shù)詳解

本文章提出了一種面向CPU+FPGA異構(gòu)加速平臺的解壓縮方法。該方法采用OpenCL高級語言進(jìn)行g(shù)zip解壓縮算法的描述，使用通用處理器CPU作為主機(jī)端運(yùn)行主程序，F(xiàn)PGA作為協(xié)處理器進(jìn)行解壓縮算法的硬件加速單元，通過Altera SDK for OpenCL高層次綜合工具完成高級語言描述的解壓縮算法到FPGA硬件執(zhí)行比特流的自動化映射，完成對gzip解壓縮算法的異構(gòu)加速系統(tǒng)的自動部署過程。

本方法用FPGA作為協(xié)處理器，可以有效的提升解壓縮核心算法的執(zhí)行性能，同時(shí)該實(shí)現(xiàn)方式可以有效縮短將解壓縮算法部署到基于FPGA的異構(gòu)加速平臺時(shí)的時(shí)間，從而提高產(chǎn)品研發(fā)周期。

（二）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具體操作方式

面向CPU+FPGA異構(gòu)加速平臺的解壓縮方法實(shí)現(xiàn)具體操作過程如下：

首先，采用OpenCL高級語言完成gzip解壓縮算法的描述，分別生成在通用處理器CPU上運(yùn)行的主機(jī)端程序，以及面向FPGA平臺的Kernel程序。然后，采用GCC編譯器對主機(jī)端程序進(jìn)行編譯，生成可在通用處理器CPU上執(zhí)行的可執(zhí)行程序文件；采用Altera SDK for OpenCL（AOC）高層次綜合工具對Kernel程序文件進(jìn)行編譯綜合，生成可在FPGA上運(yùn)行的AOCX文件。最后，在通用處理器CPU上運(yùn)行主機(jī)端程序，調(diào)用FPGA上的解壓縮核心算法硬件電路進(jìn)行硬件加速，CPU與FPGA之間采用PCI-E接口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用FPGA開發(fā)板上的DDR3內(nèi)存作為數(shù)據(jù)緩存Buffer。

主機(jī)端程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)主要包括以下幾個(gè)步驟：

首先是創(chuàng)建主機(jī)端與FPGA端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的緩存，將該緩存存放在FPGA開發(fā)板的DDR內(nèi)存上；

把需要解壓縮的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲襟E101創(chuàng)建的緩存中；

設(shè)置FPGA端運(yùn)行時(shí)所需要的參數(shù)信息；

控制啟動FPGA端的gzip解壓縮算法；

最后等待FPGA端的解壓縮算法運(yùn)行結(jié)束后，從FPGA端DDR內(nèi)存上的緩存中，將解壓縮后的數(shù)據(jù)讀取到主機(jī)端，從而完成解壓縮過程。

運(yùn)用OpenCL語言描述的gzip解壓縮算法Kernel程序主要包括以下步驟：

（1）接收到主機(jī)端的啟動信號后，逐個(gè)字節(jié)讀取緩存中的待解壓縮數(shù)據(jù)；

（2）對于每個(gè)字節(jié)，根據(jù)緩存中的huffman碼表進(jìn)行huffman解壓縮；

（3）將完成huffman解壓縮的數(shù)據(jù)再次存放到緩存中；

（4）逐個(gè)字節(jié)讀取huffman解壓縮后的數(shù)據(jù)緩存，其中，第一個(gè)字節(jié)是標(biāo)記位，在后續(xù)字節(jié)讀取中，如果遇到標(biāo)記位，則進(jìn)入步驟（5），否則進(jìn)入步驟（6）；

（5）遇到標(biāo)記位后，讀取后續(xù)字節(jié)，得到重復(fù)字節(jié)長度和偏移量，根據(jù)重復(fù)字節(jié)長度和偏移量進(jìn)行解壓縮，將解壓縮后的數(shù)據(jù)寫入DDR上的緩存中；

（6）不是標(biāo)記位時(shí)，直接將讀取的數(shù)據(jù)作為解壓縮后的數(shù)據(jù)寫入DDR緩存中；

（7）重復(fù)上述步驟，直至緩存中待解壓縮數(shù)據(jù)處理結(jié)束，向主機(jī)端返回完成信號。

（三）技術(shù)方案帶來的有益效果

采用FPGA硬件平臺執(zhí)行解壓縮算法核心模塊，能夠通過并行流水的優(yōu)化方式提高算法的并行度，從而改善算法執(zhí)行時(shí)的吞吐率性能。與通用的RTL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)方式相比，本發(fā)明采用OpenCL語言進(jìn)行FPGA硬件比特流的生成，能夠有效改善算法實(shí)現(xiàn)效率，減少算法實(shí)現(xiàn)的開發(fā)周期。

（四）技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

1.本發(fā)明的主要創(chuàng)新點(diǎn)/發(fā)明點(diǎn)

我們這個(gè)方法的關(guān)鍵點(diǎn)是：設(shè)計(jì)合理的OpenCL描述的gzip解壓縮算法描述，使得可以映射生成更高效的FPGA硬件電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升FPGA對解壓縮算法的硬件加速效果。

2.創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）一種面向CPU+FPGA異構(gòu)加速平臺的解壓縮方法。其特征在于：通過OpenCL高級描述語言進(jìn)行g(shù)zip解壓縮算法的描述，采用Altera SDK for OpenCL高層次綜合工具進(jìn)行面向FPGA的硬件比特流生成，實(shí)現(xiàn)FPGA對gzip解壓縮算法的硬件加速。這樣不僅可以有效的提高產(chǎn)品的研發(fā)周期，同時(shí)可以提高gzip解壓縮算法的執(zhí)行性能。

（2）根據(jù)（1）所描述的面向CPU+FPGA異構(gòu)加速平臺的解壓縮方法，其另一特征在于：采用CPU作為主機(jī)端進(jìn)行硬件加速過程的控制，主要包括如下幾個(gè)步驟：

要建立主機(jī)端與FPGA端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的緩存，該緩存要在FPGA開發(fā)板的DDR內(nèi)存上進(jìn)行存放；

將需要解壓縮的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲襟E101創(chuàng)建的緩存中；

設(shè)置FPGA端運(yùn)行時(shí)所需要的參數(shù)信息；

控制啟動FPGA端的gzip解壓縮算法；

最后需要等到FPGA端的解壓縮算法運(yùn)行結(jié)束后，將FPGA端DDR內(nèi)存上的緩存中解壓縮后的數(shù)據(jù)讀取到主機(jī)端，從而完成解壓縮過程。

作者單位：山東道普測評技術(shù)有限公司