CN110968537B - 一种基于pcie ssd的fpga搜索匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,以FPGA作为载体,内部集成了SSD控制器、PCIE接口和匹配计算模块,使PCIE SSD既支持文件库的普通读写,又支持快速搜索与输入文件相似的库文件。输入文件和库文件的匹配计算放在PCIE SSD内,库文件数据无需上传服务器节点,克服了服务器节点和FPGA之间的PCIE总线带宽的限制,而且无需额外增加GUP完成匹配计算,提高了性能,降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及计算机和数据存储技术领域,尤其涉及一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法。
背景技术
随着信息化的快速发展,库文件搜索的需求越来越多,对其响应速度的要求也越来越高。目前获取高性能的方法是把库文件缓存在服务器节点的内存中,用GPU(GraphicsProcess Unit)做并行的匹配计算。这种方法通过内存的超高带宽提高了搜索速度,通过GPU的并行计算能力提高了匹配速度,搜索库文件大小却直接受限于服务器节点的内存容量,大部分应用会采用基于服务器集群的分布式搜索。但是,当库文件较大时,这种方法会受到网络延迟和带宽限制而影响性能,而且库文件需要保存到节点的磁盘,库文件更新时,内存和磁盘需要同步更新。
PCIE SSD,即PCIE接口固态硬盘,带宽比内存低,但是容量大且可保存数据不丢失。近年来,随着PCIE SSD的普及,使用PCIE SSD加速搜索的应用越来越多。然而,现在大部分应用还是服务器节点软件把数据从PCIE SSD读到内存,再做搜索匹配,IO性能受限于PCIE SSD的带宽。也有单服务器节点插多块PCIE SSD以提高IO性能的方法,但最终还是会受限于服务器节点支持的最大PCIE总线。另外,目前的方法还是需要GPU加速匹配计算,增加了应用成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,旨在FPGA实现的PCIE SSD内部嵌入搜索匹配模块,克服了服务器节点和FPGA之间的PCIE总线带宽的限制,且无需额外增加GUP,提高了性能,降低了成本。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其中,FPGA芯片上包括SSD控制器、PCIE接口和匹配计算模块;所述方法包括:
步骤A1:服务器节点通过PCIE接口向FPGA发送搜索模式SSD读写命令;
步骤A2:所述FPGA判断服务器节点发送命令是否为DDR SDRAM写命令:
若是,FPGA上的DMA模块根据命令中服务器节点的内存地址读取第一数据文件,写入DDR SDRAM中,转向步骤A8;若否,则转向步骤A3;
步骤A3:所述FPGA判断服务器节点发送命令是否为搜索模式库文件读命令:
若是,所述DMA模块向所述FPGA上的SSD控制器转发读命令,SSD控制器从FLASH阵列读取第二数据文件发送给所述DMA模块,所述DMA模块把第二数据文件写入DDR SDRAM中,转向步骤A8;若否,则转向步骤A4;
步骤A4:所述DMA模块向匹配计算模块转发服务器节点发送的匹配计算模块启动命令;
步骤A5:匹配计算模块启动相应的匹配计算单元;
步骤A6:所述匹配计算单元从DDR SDRAM中读取第一数据文件和第二数据文件,进行相似度计算以取得匹配结果;
步骤A7:计算完成后,将匹配结果发送至所述DMA模块,所述DMA模块将匹配结果通过PCIE接口上传至服务器节点;
步骤A8:任务结束。
在一种优选实施例中,执行所述步骤A8过程中,还包括A81:所述DMA模块向服务器节点发送中断请求。
优选地,所述SSD控制器,通过PCIE接口与服务器节点通信,负责管理和控制FLASH阵列,根据服务器节点发送的命令对FLASH阵列做读写操作。
优选地,所述DDR SDRAM缓存所述DMA模块转发的第一数据文件和第二数据文件,每个文件都预先分配各自独立的内存地址空间。
优选地,所述匹配计算模块由多个匹配计算单元组成,各单元之间并行处理数据。
优选地,所述FPGA内还集成了DDR控制器,负责管理所述DDR SDRAM。
更优选地,所述DMA模块分别连接所述SSD控制器、DDR控制器和匹配计算模块,用于转发所述服务器节点和所述SSD控制器之间的交互信息和数据;搜索模式下将所述服务器节点发送的第一数据文件和所述SSD控制器从所述FLASH阵列读出的第二数据文件转发给所述DDR控制器,并将所述匹配计算模块发送的匹配结果转发给服务器节点。
优选地,所述服务器节点发送的命令包括正常模式SSD读写命令、搜索模式SSD读写命令、搜索模式库文件读命令、DDR SDRAM写命令和匹配计算模块启动命令。
优选地,所述服务器节点通过PCIE接口与所述FPGA连接。
优选地,所述服务器节点通过上行PCIE接口与至少一个PCIE Swich模块连接,所述PCIE Swich模块通过若干个下行PCIe接口与至少一个所述FPGA分别连接。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下有益效果:
1)在FPGA实现的PCIE SSD内部嵌入搜索匹配模块,使PCIE SSD既支持文件库的普通读写,又支持快速搜索与输入文件相似的库文件;
2)输入文件和库文件的匹配计算放在PCIE SSD内,库文件数据无需上传服务器节点,服务器节点搜索性能不会受限于PCIE总线的带宽,而且无需增加GPU,提高了性能,又降低了成本。
3)另外,一台服务器可以通过PCIE Switch连接多个PCIE SSD进行分布式搜索,扩展非常方便,增强了单节点处理能力,降低了服务器集群的规模,也减少了网络交换机的数量。
附图说明
图1是本发明的较佳的实施例中,一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法的原理示意图,其中,实线箭头表示输入文件数据流,虚线箭头表示库文件数据流,点划线箭头表示搜索控制流;
图2是本发明的较佳的实施例中,一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法应用于分布式搜索的结构示意图;
图3是本发明的较佳的实施例中,一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法中,正常模式下FPGA工作流程图;
图4是本发明的较佳的实施例中,一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法中,搜索模式下FPGA工作流程图。
具体实施方式
本发明提供一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例一:
请参阅图1,该图描述了FPGA内部功能模块的划分及控制、数据流在功能模块之间的流向。本发明实施例中,使用一片FPGA,服务器节点通过PCIE接口和FPGA通信;FPGA内集成了SSD控制器和匹配计算模块,既支持文件库的普通读写,又支持快速搜索与输入文件相似的库文件。所述SSD控制模器,通过PCIE接口与服务器节点通信,负责管理和控制FLASH阵列,根据服务器节点发送的命令对FLASH阵列做读写操作;所述匹配计算模块,负责将所述服务器节点发送的第一数据文件和所述SSD控制器从所述FLASH阵列读出的第二数据文件进行匹配计算以取得匹配结果,匹配计算模块由多个匹配计算单元组成,各单元之间并行处理数据。其中,FLASH阵列由若干个NAND FLASH构成。
所述FPGA内还集成了DDR控制器,负责管理DDR SDRAM,缓存所述服务器节点发送的第一数据文件和所述SSD控制器从所述FLASH阵列读出的第二数据文件,每个文件都预先分配各自独立的内存地址空间。
所述FPGA内还集成了直接内存读取模块DMA模块,DMA模块分别连接所述SSD控制器、DDR控制器和匹配计算模块。DMA模块实现PCIE TLP(Transaction Layer Package)协议层封装和解析,获取命令,分发和汇聚数据,上报中断。具体地,DMA模块转发所述服务器节点和所述SSD控制器之间的交互信息和数据;搜索模式下将所述服务器节点发送的第一数据文件和所述SSD控制器从所述FLASH阵列读出的第二数据文件转发给所述DDR控制器,并将所述匹配计算模块发送的匹配结果转发给服务器节点。
实施例二:
请参阅图2和图3,该图描述了搜索模式和正常模式下FPGA的工作流程图,该流程图描述了FPGA内部功能模块如何配合服务器节点软件工作的详细流程。
如图2所示,一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,包括:
步骤A1:服务器节点通过PCIE接口向FPGA发送搜索模式SSD读写命令;
步骤A2:所述FPGA判断服务器节点发送命令是否为DDR SDRAM写命令:
若是,FPGA上的DMA模块根据命令中服务器节点的内存地址读取第一数据文件,写入DDR SDRAM中,转向步骤A8;若否,则转向步骤A3;
步骤A3:所述FPGA判断服务器节点发送命令是否为搜索模式库文件读命令:
若是,所述DMA模块向所述FPGA上的SSD控制器转发读命令,SSD控制器从FLASH阵列读取第二数据文件发送给所述DMA模块,所述DMA模块把第二数据文件写入DDR SDRAM中,转向步骤A8;若否,则转向步骤A4;
步骤A4:所述DMA模块向匹配计算模块转发服务器节点发送的匹配计算模块启动命令;
步骤A5:匹配计算模块启动相应的匹配计算单元;
步骤A6:所述匹配计算单元从DDR SDRAM中读取第一数据文件和第二数据文件,进行相似度计算以取得匹配结果;
步骤A7:计算完成后,将匹配结果发送至所述DMA模块,所述DMA模块将匹配结果通过PCIE接口上传至服务器节点;
步骤A8:任务结束。
在一种优选实施例中,执行所述步骤A8过程中,还包括A81:所述DMA模块向服务器节点发送中断请求。
如图3所示,所述方法还包括:
步骤B1:服务器节点通过PCIE接口向FPGA发送正常模式SSD读写命令;
步骤B2:进入正常模式的SSD读写访问流程;
步骤B3:所述DMA模块向服务器节点发送中断请求。
实施例三:
本发明的实现步骤如下:
步骤一:定义服务器节点软件和FPGA之间的接口,需要支持的命令有正常模式SSD读写命令、搜索模式SSD读写命令、搜索模式库文件读命令、DDR SDRAM写命令和匹配计算模块启动命令。
步骤二:根据实际计算密度需求和SSD容量选择合适资源的FPGA、NAND FLASH、DDRSDRAM,按照图1所示,将FPGA内部功能模块划分为DMA模块、SSD控制模块、匹配计算模块及DDR控制模块,定义各模块之间的信号接口。
步骤三:根据图2、图3所示FPGA工作流程图编写各模块的寄存器级代码,做单元仿真。
步骤四:根据图1定义的FPGA内部结构在FPGA顶层例化、连接各个功能模块,编写FPGA顶层代码。
步骤五:根据图2、图3所示的FPGA工作流程图编写测试平台,完成系统验证。
步骤六:使用FPGA供应商综合工具生成烧录文件,上板配合服务器软件测试搜索功能。
实施例四:
请参阅图4,该图描述了一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法应用于分布式搜索的结构示意图。本实施例在服务器节点和所述FPGA之间增加了PCIE Swich模块,所述PCIE Swich模块上可以设置一个上行PCIE接口,同时设置若干下行PCIE接口,实现多个所述FPGA可以同时连接在服务器节点上实现分布式搜索,从而使得服务器节点能够访问多于服务器节点本身包括的PCIE接口数量的所述FPGA,扩展了服务器节点所能访问的FPGA的数量,增强了单节点的处理能力降低了服务器集群的规模,也减少了网络交换机的数量。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述,但其只是作为范例,本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言,任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此,在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改,都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (9)
1.一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其特征在于:其中,FPGA芯片上包括DMA模块、SSD控制器、PCIE接口和匹配计算模块,所述SSD控制器,通过PCIE接口与服务器节点通信,负责管理和控制FLASH阵列,根据服务器节点发送的命令对FLASH阵列做读写操作,所述FPGA芯片还连接有DDR SDRAM;所述方法包括:
步骤A1:服务器节点通过PCIE接口向FPGA发送搜索模式SSD读写命令;
步骤A2:所述FPGA判断服务器节点发送命令是否为DDR SDRAM写命令:
若是,FPGA上的DMA模块根据命令中服务器节点的内存地址读取第一数据文件,写入DDR SDRAM中,转向步骤A8;若否,则转向步骤A3;
步骤A3:所述FPGA判断服务器节点发送命令是否为搜索模式库文件读命令:
若是,所述DMA模块向所述FPGA上的SSD控制器转发读命令,SSD控制器从FLASH阵列读取第二数据文件发送给所述DMA模块,所述第二数据文件无需上传服务器节点,所述DMA模块直接把第二数据文件转发至DDR SDRAM中,转向步骤A8;若否,则转向步骤A4;
步骤A4:所述DMA模块向匹配计算模块转发服务器节点发送的匹配计算模块启动命令;
步骤A5:匹配计算模块启动相应的匹配计算单元;
步骤A6:所述匹配计算单元从DDR SDRAM中读取第一数据文件和第二数据文件,进行相似度计算以取得匹配结果;
步骤A7:计算完成后,将匹配结果发送至所述DMA模块,所述DMA模块将匹配结果通过PCIE接口上传至服务器节点;
步骤A8:任务结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其特征在于:执行所述步骤A8过程中,还包括A81:所述DMA模块向服务器节点发送中断请求。
3.根据权利要求1所述的一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其特征在于:所述DDR SDRAM缓存所述DMA模块转发的第一数据文件和第二数据文件,每个文件都预先分配各自独立的内存地址空间。
4.根据权利要求1所述的一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其特征在于:所述匹配计算模块由多个匹配计算单元组成,各单元之间并行处理数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其特征在于:所述FPGA内还集成了DDR控制器,负责管理所述DDR SDRAM。
6.根据权利要求5所述的一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其特征在于:所述DMA模块分别连接所述SSD控制器、DDR控制器和匹配计算模块,用于转发所述服务器节点和所述SSD控制器之间的交互信息和数据;搜索模式下将所述服务器节点发送的第一数据文件和所述SSD控制器从所述FLASH阵列读出的第二数据文件转发给所述DDR控制器,并将所述匹配计算模块发送的匹配结果转发给服务器节点。
7.根据权利要求1所述的一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其特征在于:所述服务器节点发送的命令包括正常模式SSD读写命令、搜索模式SSD读写命令、搜索模式库文件读命令、DDR SDRAM写命令和匹配计算模块启动命令。
8.根据权利要求1所述的一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其特征在于:所述服务器节点通过PCIE接口与所述FPGA连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于PCIE SSD的FPGA搜索匹配方法,其特征在于:所述服务器节点通过上行PCIE接口与至少一个PCIE Swich模块连接,所述PCIE Swich模块通过若干个下行PCIe接口与至少一个所述FPGA分别连接。
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