使用Intel Xeon CPU与FPGA加速器栈进行OpenCL开发

OpenCL开发简介 🚀

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什么是OpenCL

OpenCL（Open Computing Language）是一种基于C语言的行业标准编程语言，用于实现异构并行计算。它允许用户将计算任务分配给不同的设备，如FPGA、GPU等，以提高计算性能。

OpenCL的设计目标是提供一种简单易用、高效灵活的编程模型，使开发人员能够充分利用FPGA等加速器设备的潜力。与传统的RTL开发流程相比，OpenCL开发流程更加高级且易于使用，使开发人员能够更专注于算法和应用的开发，而无需关注低级的硬件细节。

本文将介绍如何使用OpenCL开发加速器功能单元，并利用加速栈加速FPGA应用程序。

OpenCL开发流程

OpenCL开发流程包括以下几个步骤：

步骤一：编写OpenCL Host应用程序

OpenCL Host应用程序是在主机上运行的，负责调用和管理核心功能单元（Kernel）。开发人员可以使用标准的C或C++编程语言来编写OpenCL Host应用程序。在编写Host应用程序时，开发人员需要使用OpenCL提供的API，如clCreateBuffer、clEnqueueNDRangeKernel等来管理内存和调度执行。

步骤二：编写OpenCL核心功能单元（Kernel）

OpenCL核心功能单元（Kernel）是在加速器设备上执行的任务单元。开发人员可以使用C语言来编写Kernel，然后将其编译为FPGA可执行的形式。编译器会将Kernel代码转换为FPGA的硬件描述语言（HDL），最终生成FPGA的位流文件。

步骤三：使用OpenCL BSP编译并加载FPGA

OpenCL BSP（Board Support Package）是针对特定FPGA开发板的软件包，它提供了用于编译和加载FPGA的工具和库。开发人员需要根据所使用的开发板，选择相应的BSP，并使用相应工具将Kernel编译成位流文件，并将位流文件加载到FPGA上。

步骤四：运行OpenCL应用程序

在FPGA加载位流文件后，可以运行OpenCL应用程序了。Host应用程序将使用OpenCL API来与已加载的FPGA进行通信，将任务委派给FPGA执行，并从FPGA获取计算结果。

OpenCL加速栈

OpenCL加速栈是Intel提供的一套软件和工具集合，旨在简化和优化Intel FPGA的开发和部署过程，以实现数据中心的工作负载优化。加速栈提供了一整套优化和简化的硬件接口和软件API，为开发人员节省了大量的时间和精力。

加速栈的主要特点如下：

简化开发流程

加速栈提供了一致的开发接口，使开发人员能够更方便地重用和调试代码。无论是使用RTL开发流程还是使用OpenCL开发流程，开发人员都可以自由切换，并根据实际情况选择最合适的开发方式。

提供系统优化的参考库

加速栈为目标垂直领域提供了系统优化的参考库，使开发人员能够利用Intel FPGA的强大计算性能，轻松提升系统性能，即使对FPGA没有太多经验的开发人员也能够快速上手。

支持虚拟化

加速栈使得使用OpenCL进行虚拟化变得更加容易，无需开发人员对CCIP接口进行RTL开发，即可轻松将OpenCL应用程序部署在虚拟化环境中。

性能优化

加速栈为开发人员提供了丰富的工具和功能，用于调试、优化和性能分析OpenCL应用程序。开发人员可以轻松识别潜在的性能瓶颈，并通过优化来提高应用程序的性能。

OpenCL BSP简介

OpenCL BSP（Board Support Package）是用于特定FPGA开发板的软件包，它允许开发人员使用OpenCL开发流程来实现加速器功能。OpenCL BSP包含以下几个重要部分：

Quartus项目模板文件

Quartus项目模板文件提供了一个参考项目，用于将OpenCL Kern源代码插入到FPGA项目中，并通过Quartus Prime软件进行编译和生成FPGA位流文件。

软件层

OpenCL BSP的软件层将连接OpenCL运行时库和底层设备驱动程序的调用，以实现OpenCL应用程序与硬件的通信。软件层在编译时会与opae库进行链接，以提供底层驱动程序的调用。

功能支持

OpenCL BSP还提供了一些其他功能，如FPGA的重编程和诊断功能。这使得开发人员可以轻松地对FPGA进行重编程，以及进行故障排查和调试。

Intel可编程加速卡（PAC）

Intel可编程加速卡（PAC）是一种低功耗、多功能的FPGA加速卡，适用于数据中心的工作负载优化。PAC卡支持加速栈，可以用于加速Intel Xeon CPU的工作负载。其特点如下：

• 灵活的编程模型：PAC卡支持OpenCL开发流程，使开发人员能够方便地使用OpenCL来开发和部署加速器功能。

• 高性能：PAC卡配备了Intel Aria 10 GX FPGA，具有强大的计算能力和高带宽的外设接口，可以显著提高系统性能。

• 可重构性：PAC卡可以根据不同的应用需求进行重编程，使开发人员能够根据实际需求灵活地配置FPGA。

有关Intel可编程加速卡的详细规格和信息，请参阅相关文档。

总结

本文介绍了OpenCL开发流程和加速栈，以及OpenCL BSP和Intel可编程加速卡的基本概念。通过使用OpenCL开发流程和加速栈，开发人员可以更轻松地利用FPGA等加速器设备的潜力，并将其应用于数据中心的工作负载优化中。

如果您想了解更多关于OpenCL开发和加速栈的信息，请参阅本文中提供的参考资料。

参考资料：

• OpenCL on Intel FPGA Landing Page
• Intel FPGA Customer Training Webpage
• Intel Programmable Acceleration Card with Aria 10 QuickStart User Guide