基于容器云的FPGA仿真测试平台.pdf
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1、2023 年第 7 期74计算机应用信息技术与信息化基于容器云的 FPGA 仿真测试平台刘 洋1 李路野1 凌 元1 吴沁文1LIU Yang LI Luye LING Yuan WU Qinwen 摘要 FPGA 作为加速处理器,广泛应用在雷达、通信等实时处理领域。仿真测试作为 FPGA 软件研发的重要环节,具有计算复杂、数据量大、耗费资源多的特点。现有测试验证通常基于单机进行,计算资源有限、并行化程度低、人工分析仿真结果等。针对以上问题,提出了基于容器云的 FPGA 仿真测试方法。通过容器技术封装 FPGA 仿真测试环境,利用云平台丰富的计算、存储资源,以及容器编排调度能力,解析用户测试请
2、求并创建多个测试容器,自动执行批量测试用例,实现多节点 FPGA 并行测试加速,同时对测试码元数据、测试结果数据进行高效管理。实验结果表明,该方法提高了 FPGA 软件测试的自动化和并行化程度,大幅缩短整个软件的测试周期,加快信息处理软件交付效率。关键词 FPGA 仿真测试;分布式;容器云;Kubernetesdoi:10.3969/j.issn.1672-9528.2023.07.0191.南京电子技术研究所 江苏南京 2100390 引言FPGA 拥有丰富的计算、存储、布线和接口资源,具备强大的并行计算、流式处理、数据吞吐能力,通过高并行度的计算架构能够获得比 CPU 高数倍的计算速度,在
3、信号处理领域得到广泛使用1。由于 FPGA 在国防等军用武器装备上的应用,对 FPGA 软件的正确性、可靠性具有严格要求2,软件在交付之前需要进行充分的仿真测试。仿真测试主要是根据应用的功能需求,验证开发的程序代码是否符合设计预期,是 FPGA 软件设计的关键环节,在整个开发周期中所占的比例日益提高。FPGA 仿真测试具有计算复杂、数据量大、资源消耗多等特点,属于计算密集型任务。传统测试通常主要是在单机中进行,并通过人工比对波形判断结果,测试时间长、测试用例覆盖不全面,主要问题包括:(1)单机性能有限,测试速度慢;(2)计算资源不足,难以进行多任务并行测试;(3)测试过程人工参与较多,自动化程
4、度低;(4)测试码元、测试结果、中间数据等类型多、数据量大,管理不便。为保证 FPGA 应用软件的质量和可靠性,提高 FPGA 软件的设计效率,许多学者围绕 FPGA 仿真测试进行相关研究,并取得良好效果。文献 3 中,申春妮面向雷达 FPGA 软件质量在管理过程中存在的问题进行研究,制定了面向雷达FPGA 软件的测试标准和规范,通过规范性约束进一步提高软件的测试效率。文献 4 中,高虎、郑军等针对 FPGA 软件测试,提出了一种新的测试环境框架,用于解决仿真测试过程存在的用例覆盖率难以保证、充分性不足、测试效率低的问题。利用框架模拟被测 FPGA 的外部设备、接口环境以及外设行为,实现 FP
5、GA 软件的半实物仿真。最后开发原型测试系统和平台,并应用到 FPGA 软件的实际测试中,取得预期效果。文献 5 中,习建博、朱鹏等基于通用验证方法学 UVM,设计了一种可重用的 FPGA 仿真验证平台,能够高效、全面实现 FPGA 的仿真测试。并利用该平台,完成对星载雷达波束控制 FPGA 软件的功能仿真验证,有效提高了测试覆盖率,并缩短测试验证时间。针对 FPGA 测试验证耗时长、效率低的问题,本项目主要研究测试加速技术。在充分调研已有测试技术和测试平台的基础上,首次将云计算技术引入到 FPGA 测试中。云计算作为一种基础计算设施,对计算、存储、网络等资源进行虚拟化形成统一的资源池,实现资
6、源按需使用、弹性扩缩,支持应用自动化编排调度,大幅提升资源的使用效率,目前已在软件测试领域得到广泛应用6-8。云计算强大的算力、自动化管理和弹性扩展能力,能够很好地满足软件测试加速需求,和 FPGA 仿真测试具有天然的结合性。基于云环境,能够高效地开发、构建软件测试平台,对批量测试用例进行存储管理和并行执行,大幅缩短测试验证时间,实现基于云平台的FPGA 测试加速。1 测试平台概述FPGA 仿真测试平台基于容器云进行构建,实现测试任务自动创建调度、测试过程并行化执行以及测试用例、测试结果的高效管理。主流的云计算主要包括虚拟机云和容器云,容器云作为一种新兴的虚拟化方式,是继虚拟机之后的第二代云计
7、算技术9。相较于虚拟机,容器更加轻量、启动更快、性能接近原生,更适合 FPGA 仿真加速,其实现原理和容器的对比如图 1 所示。2023 年第 7 期75计算机应用信息技术与信息化图 1 虚拟机和容器原理本项目的容器云环境采用 Docker 容器和 Kubernetes(简称:k8s)容器编排工具进行实现。该套方案是目前主流的容器云解决方案,在多个行业得到广泛实践和落地,经受了大规模生产环境的考验,推动企业向数字化转型。确保系统在稳定性、可靠性以及技术支持方面均具有良好的保障,主要特点包括:(1)高效的资源利用Docker 容器基于操作系统 cgroup 和 namespace 内核机制实现,
8、为应用软件提供隔离的运行环境。多个容器共用操作系统内核,资源开销较小、利用率更高,对资源的管理可以达到毫核粒度。应用的执行性能、内存损耗或者文件读写速度,均优于传统虚拟机技术。相同配置的主机,可以运行更多数量的应用容器。(2)秒级、毫秒级启动传统虚拟机创建通常需要经过虚拟化、操作系统启动等过程,耗时达到数分钟,而 Docker 容器直接运行于宿主机内核,相当于操作系统的一个进程,无需启动整个操作系统,因此可以做到秒级、甚至毫秒级的启动时间,有效节约了开发、测试、部署的时间,以及容器应用在发生故障时能够快速重新恢复。(3)一致的运行环境由于开发环境、测试环境、生产环境的不一致,应用在不同平台迁移
9、时,通常会出现兼容、依赖等问题,导致程序无法正常启动运行,限制了应用的可移植性。通过容器镜像,封装应用及其相关的依赖,确保应用在多个平台间运行环境的一致性,实现应用跨平台无缝迁移10,大幅提高应用的交付效率。(4)自动化编排能力基于 Kubernetes 对容器进行编排调度,k8s 由谷歌推出并取得巨大成功,目前已成为容器事实上的编排标准,拥有完善的生态和活跃的社区。通过 k8s 对整个集群的处理资源进行统一管理,实现资源的按需使用和灵活共享,同时对环境中运行的容器进行健康监测。此外,提供应用容器弹性伸缩、故障重构等功能,满足用户动态变化的测试需求,保证测试业务的可靠性和稳定性。2 系统设计方
10、案2.1 系统架构和组成仿真测试平台主要由容器云环境、远程共享存储、仿真测试客户端以及服务端组成。整个平台以容器云作为基础底座,并基于容器云进行业务层级功能的实现。平台总体架构如图 2 所示。图 2 仿真测试平台总体架构容器云环境:该环境基于 Docker 容器和 Kubernetes 容器编排引擎进行构建,是 FPGA 仿真测试平台构建的基础,提供计算、存储、网络等资源,以及测试容器自动化编排调度能力,负责具体测试用例的执行。提供多种用户交互方法,包括图形界面、符合 Restful Api 标准的接口以及命令行交互工具。通过 API 接口调用,仿真测试平台能够实现测试容器的创建、删除、启动等
11、全生命周期管理,将整个测试过程自动化。远程共享存储:是一种虚拟化的分布式网络文件系统,对外提供统一的访问接口,用户无需关心具体的文件存储位置,通过标准的 API 接口即可实现数据的存储、访问等操作。通过远程共享存储,用户能够上传测试工程、测试用例、测试结果数据等,同时容器在执行过程中产生的数据也可以写入该文件系统。集群中的测试容器,启动时会根据持久化存储的有关配置,读取测试工程和用例。测试客户端:该客户端是用户和仿真测试平台交互的入口,提供图形化管理界面,采用 QT 语言进行开发,降低仿真测试平台使用难度。用户通过该客户端,能够对要仿真测试的 FPGA 工程进行配置和管理,包括设置测试参数、上
12、传测试工程、发送测试请求等。测试服务端:该服务端是仿真平台和云环境沟通的桥梁,它以 Pod 的形式运行在容器云环境,支持多用户跨平台并发访问。测试服务端接收客户端发送的请求并进行解析,根据不同的请求类型执行相应操作。同时,该服务端具备调用容器云 restful api 接口和云环境交互的能力。2023 年第 7 期76计算机应用信息技术与信息化2.2 仿真测试流程测试用户通过 QT 客户端和仿真测试平台进行交互,包括测试参数配置、测试工程上传、测试请求发送等功能,各个功能模块相互配合,支撑整个平台的仿真测试实现。仿真测试流程如图 3 所示。用户基于该仿真测试平台,对 FPGA 工程进行验证,主
13、要步骤包括:(1)用户通过仿真平台客户端软件,将待测试的 FPGA 工程、测试码元数据及其他所需文件上传到共享存储区,供测试容器创建和运行时访问。(2)用户通过仿真平台客户端软件,配置待测工程信息,配置信息包含测试工程名称、测试容器数量、容器启动参数等内容,并向 FPGA 测试服务端发送请求。(3)测试服务器接收到测试请求后,对请求内容进行解析,获取测试有关的参数信息。根据该参数信息和容器部署模板,生成测试容器部署所需的描述文件,同时在文件内声明远程共享存储区在容器内的挂载路径。(4)测试服务端响应测试请求,利用(3)中生成的部署文件,调用容器云提供的 API 接口创建测试容器,执行远程共享存
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