百度嵌入式AI解决方案EdgeBoard之内存驱动设计介绍

1.背景介绍

由于 FPGA 具备可编程和高性能计算的特点，基于FPGA硬件的AI计算加速，正广泛地应用到计算机视觉处理领域。其中极具代表性的部署方式之一就是使用FPGA和CPU组合构成异构计算系统，并在CPU上搭载Linux操作系统，运行AI推理引擎框架及视频图片处理等各种业务。其中，如何协调CPU和FPGA的计算关系，成为这套异构系统的关键，而这部分关键技术则是由驱动系统来完成的。

协调CPU和FPGA这对异构兄弟的计算关系，可以有许多模式，根据不同的应用场景会有很大的变化。一般在端侧，整个系统的应用比较单一可控，较少考虑并发及虚拟的情形。根据这一情况，EdgeBoard应运而生。

2.EdgeBoard介绍

EdgeBoard是百度打造的基于FPGA的嵌入式AI解决方案及基于此方案实现的系列硬件。作为端侧的解决方案，没有在PL侧为FPGA设计专用的内存，而是采用了PS和PL侧共用DDR内存的结构。因此，对这种异构系统的CPU和FPGA的协调就落在了内存的管理方面，这就是驱动系统中关于内存管理的子系统。

3.全文概述

本文将重点介绍EdgeBoard中关于CPU和FPGA内存驱动设计的关键技术。下图是整体EdgeBoard的软件框架图，其中内存驱动位于内核部分。下面将从内存的分配、释放、回收等方面来逐步介绍。

4.内存的特点和FPGA的内存需求

在FPGA芯片PS侧，CPU使用多级缓存来访问DDR，在Linux操作系统中，使用内存映射页面（通过页表来管理），而对DDR的物理连续性没有要求，它们被映射到虚拟连续的地址空间中。而在PL侧的FPGA一般未使用任何缓存机制，它们在计算中都是直接访问DDR。每一次读写操作都是读或写一个连续的内存空间，而且要求这片内存的起始地址要对齐在一个特定的地址偏移处（偏移0x10）。一次计算中的多次读写都要求访问的DDR是一致连续的。

针对CPU和FPGA这样的内存需求，我们设计Linux驱动内存的子系统时，就要充分考虑到：1）cache的影响；2）FPGA使用内存的物理连续性；3）传递给FPGA使用的内存块要满足偏移要求（segment alignments）。

5.保留系统内存

针对上述需求，我们采用分隔物理内存的设计方案，从整体系统中保留其中的一部分内存，让Linux只使用另一部分内存。这部分被保留的内存，分配权归内存驱动，驱动从保留部分中分配的内存块在Linux系统中和FPGA系统中都可以访问。在此期间，分配时要保证物理连续和起始偏移特性，使其能满足FPGA的需求。

在EdgeBoard实践中，我们采用的是Xilinx的ZynqMP系列的FPGA芯片，使用PetaLinux工具链来编译Linux内核,并采用DeviceTree中的reserved-memory节点来实现内存的保留。例如，系统总体2GB内存，保留1GB给FPGA，留下1GB给Linux操作系统，DeviceTree中相关节点的设定就是这样的：

下面就从驱动设计实现的各个方面介绍。

6.初始化内存的内部映射

FPGA总体设备驱动是采用字符设备platform driver的形式来编写的：在Device的probe阶段，对驱动内所保留的内存块做好内存映射（memremap），并使用合理的数据结构，保存好各个参数，以供后续使用。例如：

mem_start、mem_end、base_addr 等结构成员的定义如下：

7.内存的分配

关于内存的分配，采用了mmap调用的方式：在FPGA设备的初始化期间，初始化字符设备时传递了file_operations结构变量，这个结构变量的mmap指针初始化为我们的内存分配函数。

内存分配中，我们使用了内核提供的bitmap数据结构，来管理我们保留的内存区域——bitmap位数组中的每一位代表着16k的一个内存块，另外还使用相同长度的数组来管理内存被分配的客户owner（即file指针）、内存分配的块的数量等信息。

另外，在分配的内存对应的vma（VMM Memory Area）中，我们还注册了自己的私有数据private data来记录对应内存的必要信息：如对应内存块的总线物理地址范围和映射地址、bitmap位数组的索引等，用于地址转换；再如对应内存块的一些finger信息，用来标识保留内存块。

同时，我们也为VMA的vm_ops注册了close函数，用于为对该块内存的回收做好准备。

关于内存分配的代码量较大，这里就不一一列举了。

8.内存的回收

已分配出去的内存块都需要回收，其中有两种最具代表性的情况，一种是用户release一块内存的处理，另一种则是用户关闭设备时对未release的内存块的清理回收。

当用户release一个内存块时，对应的vma的close函数会被自动执行。为此，我们注册这个函数作为内存释放处理函数：函数实现中，首先检测private data避免错误处理，然后恢复对应的bitmap位数组中的位信息，清理owner和块数量信息，使得这块保留内存又回到了待分配的状态。

当用户关闭设备时，会调用设备注册的release函数。因此，在设备的release函数中，我们遍历owner数组来清理owner与设备的file指针相同的内存块，以此达到批量回收的目的。

9.内存的地址转换

内存的地址转换，是完成总线物理地址和虚拟逻辑地址的双向转换，为内存cache的flush/invalidate、以及交由FPGA之时要进行的处理等提供支撑。系统也通过两个IOCTL向用户层暴露这两个转换操作。

地址转换操作中，首先找到对应的vma，然后计算出offset，最后检查vma对应的标识是不是保留的内存块——如果是，就使用我们vma保存的private_data中的信息及offset完成相关的计算。

10.内存缓存的flush和invalidate操作

在CPU及其异构兄弟FPGA之间，使用DDR内存来传送数据时，需要使用flush或invalidate来消除对应缓存的影响。

首先，我们的驱动代码是运行在CPU上面的，当针对一片内存的处理从CPU转移到FPGA之前，需要对这片内存的cache执行flush操作，使得内存cache中的所有改动都写入到DDR，然后FPGA开始对它的处理工作。其次，当针对一片内存的处理从FPGA转移到CPU之前，需要对这片内存的cache执行invalidate操作，使得cache内容无效，下次CPU直接读取即从DDR中去主动load从而刷新cache。这样，CPU就可以很好地跟FPGA相处了。

对于flush和invalidate操作，则是CPU体系相关的。EdgeBoard使用的是A53v8（对应于AArch64执行集），cache flush和invalidate的代码如下：

11.内存驱动中其它功能设计及考虑

上文中提到的保留内存区域中每个保留内存块的大小是16K，其实这里是可以启用多规格的，这样用户在使用上就会更加方便，用途也会更多。但是关于内存管理部分就需要更多的数据来进行管理了。

另外，我们可以通过建立一些IOCTL的方式为不同进程之间的内存共享做出一些快速、简洁的方案，这也是我们可以在内存驱动中设计考虑的。