FPGA協(xié)處理器的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的、基于通用DSP處理器并運(yùn)行由C語言開發(fā)的算法的高性能DSP平臺(tái)，正在朝著使用FPGA預(yù)處理器和/或協(xié)處理器的方向發(fā)展。這一最新發(fā)展能夠?yàn)楫a(chǎn)品提供巨大的性能、功耗和成本優(yōu)勢(shì)。

盡管優(yōu)勢(shì)如此明顯，但習(xí)慣于使用基于處理器的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)，仍會(huì)避免使用FPGA，因?yàn)樗麄內(nèi)狈Ρ匾挠布寄?，來?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA用作協(xié)處理器（圖1）。不熟悉像VHDL和這樣傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法，限制或阻止了FPGA的使用，這通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本過高，且功耗過大。ESL，一套全新推出的設(shè)計(jì)工具，能夠解決這一設(shè)計(jì)難題。它在保留常規(guī)軟硬件設(shè)計(jì)方式的同時(shí)，幫助基于處理器的設(shè)計(jì)者使用可編程邏輯加速自己的設(shè)計(jì)。

圖1 - DSP硬件平臺(tái)

借助FPGA協(xié)處理提升性能

設(shè)計(jì)人員能夠利用由FPGA架構(gòu)的并行性所帶來的使用靈活的特點(diǎn)，大幅提升DSP系統(tǒng)的性能。通常的設(shè)計(jì)示例包括（并不局限于）FIR濾波、FFT、數(shù)字下變頻和前向糾錯(cuò)（FEC）模塊等。

XILINX VirtexTM-4和Virtex-5架構(gòu)提供了多達(dá)512個(gè)并行乘法器，它們能夠以超過500MHz的速度運(yùn)行，提供256GMAC的DSP峰值性能。通過在FPGA上實(shí)現(xiàn)高速并行處理，而在DSP上實(shí)現(xiàn)高速串行處理，可以使整個(gè)DSP系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化，同時(shí)降低系統(tǒng)的功率需求。

借助FPGA嵌入式處理降低成本

帶有FPGA協(xié)處理器的DSP硬件系統(tǒng)，為C算法范疇之內(nèi)的運(yùn)算（例如DSP處理器、FPGA可配置邏輯塊（CLB）和FPGA嵌入式處理器之間的算法劃分）提供了許多實(shí)現(xiàn)方法。Virtex-4器件提供了兩種嵌入式處理器――通常被用作系統(tǒng)控制的MicroBlaze軟核處理器和性能更高的PowerPC硬核處理器。由FPGA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的并行操作，能夠被直接用于DSP的數(shù)據(jù)路徑，或被配置為一個(gè)嵌入式處理器的硬件加速器。

設(shè)計(jì)者所面對(duì)的挑戰(zhàn)是如何在所提供的硬件資源之間劃分DSP的系統(tǒng)操作，才能做到最為有效和最節(jié)省成本。使用FPGA嵌入式處理器的最大好處并不總是顯而易見的，但這一硬件資源的確能夠極大地降低系統(tǒng)的整體成本。FPGA嵌入式處理器提供了這樣一個(gè)機(jī)會(huì)：將所有非關(guān)鍵性操作集中于嵌入式處理器上所運(yùn)行的軟件，從而最大限度降低系統(tǒng)所需硬件資源的總量。

C程序到系統(tǒng)門

在FPGA的應(yīng)用中，術(shù)語“C程序到系統(tǒng)門”特指如下兩種實(shí)現(xiàn)方法之一――在FPGA架構(gòu)上直接實(shí)現(xiàn)一個(gè)DSP模塊或?yàn)镸icroBlaze或PowerPC 405嵌入式處理器創(chuàng)建一個(gè)硬件加速器（圖2）。

當(dāng)操作直接在DSP數(shù)據(jù)路徑中進(jìn)行時(shí)，將FPGA作為一個(gè)DSP模塊來實(shí)現(xiàn)操作，能夠獲得最高的性能。這一方法先將C代碼直接綜合成RTL代碼，然后在DSP的數(shù)據(jù)通路中對(duì)模塊進(jìn)行實(shí)體化。你可以使用傳統(tǒng)的HDL設(shè)計(jì)方法，或通過像Xilinx System Generator for DSP這樣的系統(tǒng)工具，來進(jìn)行實(shí)體化。這種直接實(shí)體化方式，能夠讓開發(fā)人員以最小的開銷達(dá)到最高的性能。

圖2 - DSP硬件系統(tǒng)的C程序?qū)崿F(xiàn)方法

主流的C綜合工具可實(shí)現(xiàn)的性能，能夠與手寫RTL相媲美――但要做到這一點(diǎn)，需要對(duì)C綜合工具的工作原理和代碼風(fēng)格有詳盡的了解。為了達(dá)到所要求的性能，通常需要對(duì)代碼進(jìn)行修改，并且添加內(nèi)聯(lián)綜合指令，以插入并行和流水線級(jí)。雖然要進(jìn)行這些改進(jìn)，但是設(shè)計(jì)效率還是能夠大大提高。C系統(tǒng)模型仍然是驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程的主要因素。

作為一種替代方案，為Xilinx嵌入式處理器創(chuàng)建一個(gè)硬件加速器通常是一個(gè)更為簡單的方法。在該方法中，仍然主要使用處理器來運(yùn)行C程序，只是將對(duì)性能有重大影響的操作以硬件加速器的形式放置到FPGA邏輯中執(zhí)行。這是一種更偏向于以軟件為中心的設(shè)計(jì)方法。然而，這一方法會(huì)犧牲一些性能。與DSP模塊的方法相似，C程序被綜合成RTL代碼，所不同的是頂層實(shí)體被接口邏輯包圍，以便能與Xilinx嵌入式處理器的總線相連。這就創(chuàng)建了一個(gè)硬件加速器，它能夠被調(diào)入到Xilinx EDK環(huán)境中，并且被軟件友好的C程序調(diào)用。

對(duì)將C程序映射到硬件加速器的性能要求，通常不是那么苛刻。這里的目標(biāo)是使性能比使用純軟件實(shí)現(xiàn)的方法得到提高，同時(shí)保持軟件友好的設(shè)計(jì)流程。雖然仍有編碼技術(shù)和內(nèi)聯(lián)綜合指令，但通常可以不使用它們就達(dá)到所要求的性能提升。

設(shè)計(jì)方法――采用FPGA協(xié)處理的障礙

正確劃分和實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜DSP系統(tǒng)，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力掌握所需的技能。2005年，F(xiàn)orward Concepts市場(chǎng)調(diào)查公司為了確定在DSP設(shè)計(jì)中選用FPGA最重要的標(biāo)準(zhǔn)，開展了一項(xiàng)調(diào)查。調(diào)查的結(jié)果表明開發(fā)工具是最重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。

調(diào)查結(jié)果顯示，使用FPGA協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)DSP硬件系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到用戶的充分認(rèn)可，但對(duì)于傳統(tǒng)的DSP設(shè)計(jì)者來說，開發(fā)工具現(xiàn)有的狀況，成為他們采用這一設(shè)計(jì)方法的障礙。

圖3 - 2005年Forward Concepts公司的市場(chǎng)調(diào)查，“DSP策略：嵌入式趨勢(shì)方興未艾”

圖4 C Xilinx ESL計(jì)劃的設(shè)計(jì)流程。

Xilinx ESL計(jì)劃

ESL設(shè)計(jì)工具將數(shù)字設(shè)計(jì)的抽象度在RTL的基礎(chǔ)上又提高了一步。其中部分工具專門用來將由C/C++開發(fā)的系統(tǒng)模型映射到包含F(xiàn)PGA和DSP處理器的DSP系統(tǒng)中。此舉的目的是使硬件平臺(tái)對(duì)軟件設(shè)計(jì)者變得透明（圖4）。

今年，為了全面解決上述障礙，Xilinx公司和主要的ESL工具廠商攜手啟動(dòng)了一個(gè)被稱為ESL計(jì)劃的合作項(xiàng)目。這一合作計(jì)劃的主要目標(biāo)是賦予設(shè)計(jì)者軟件編程的能力，使他們能夠在可編程硬件中輕松地實(shí)現(xiàn)自己的想法，而無需學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技巧。該計(jì)劃融合了ESL成員機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，能夠加速產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程，推動(dòng)設(shè)計(jì)人員采用世界上最先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。

結(jié)論

將Xilinx ESL合作伙伴的工具結(jié)合在一起，能夠提供廣泛的互補(bǔ)性解決方案，這些解決方案已針對(duì)一系列產(chǎn)品、平臺(tái)和最終用戶進(jìn)行了優(yōu)化。Xilinx公司也在集中力量研究互補(bǔ)技術(shù)。例如，AccelDSP綜合為在浮點(diǎn)MATLAB中開發(fā)的算法提供了硬件實(shí)現(xiàn)的方法，而Xilinx System Generator for DSP使得用ESL設(shè)計(jì)開發(fā)的模塊，能夠輕松地與Xilinx IP和嵌入式處理器結(jié)合起來。借助多個(gè)極富創(chuàng)新精神的合作伙伴的工作，是實(shí)現(xiàn)程序員期望的FPGA設(shè)計(jì)流程最快捷的途徑。