傳統的、基于通用DSP處理器并運行由C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的算法的高性能DSP平臺,正在朝著(zhù)使用FPGA預處理器和/或協(xié)處理器的方向發(fā)展。這一最新發(fā)展能夠為產(chǎn)品提供巨大的性能、功耗和成本優(yōu)勢。
盡管優(yōu)勢如此明顯,但習慣于使用基于處理器的系統進(jìn)行設計的團隊,仍會(huì )避免使用FPGA,因為他們缺乏必要的硬件技能,來(lái)將FPGA用作協(xié)處理器(圖1)。不熟悉像VHDL和Verilog這樣傳統的硬件設計方法,限制或阻止了FPGA的使用,這通常會(huì )導致設計成本過(guò)高,且功耗過(guò)大。ESL,一套全新推出的設計工具,能夠解決這一設計難題。它在保留常規軟硬件設計方式的同時(shí),幫助基于處理器的設計者使用可編程邏輯加速自己的設計。
借助FPGA協(xié)處理提升性能
設計人員能夠利用由FPGA架構的并行性所帶來(lái)的使用靈活的特點(diǎn),大幅提升DSP系統的性能。通常的設計示例包括(并不局限于)FIR濾波、FFT、數字下變頻和前向糾錯(FEC)模塊等。
Xilinx? VirtexTM-4和Virtex-5架構提供了多達512個(gè)并行乘法器,它們能夠以超過(guò)500MHz的速度運行,提供256GMAC的DSP峰值性能。通過(guò)在FPGA上實(shí)現高速并行處理,而在DSP上實(shí)現高速串行處理,可以使整個(gè)DSP系統的性能得到優(yōu)化,同時(shí)降低系統的功率需求。
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,為C算法范疇之內的運算(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)現方法。Virtex-4器件提供了兩種嵌入式處理器——通常被用作系統控制的MicroBlazeTM軟核處理器和性能更高的PowerPCTM硬核處理器。由FPGA架構實(shí)現的并行操作,能夠被直接用于DSP的數據路徑,或被配置為一個(gè)嵌入式處理器的硬件加速器。
設計者所面對的挑戰是如何在所提供的硬件資源之間劃分DSP的系統操作,才能做到最為有效和最節省成本。使用FPGA嵌入式處理器的最大好處并不總是顯而易見(jiàn)的,但這一硬件資源的確能夠極大地降低系統的整體成本。FPGA嵌入式處理器提供了這樣一個(gè)機會(huì ):將所有非關(guān)鍵性操作集中于嵌入式處理器上所運行的軟件,從而最大限度降低系統所需硬件資源的總量。
C程序到系統門(mén)
在FPGA的應用中,術(shù)語(yǔ)“C程序到系統門(mén)”特指如下兩種實(shí)現方法之一——在FPGA架構上直接實(shí)現一個(gè)DSP模塊或為MicroBlaze或PowerPC 405嵌入式處理器創(chuàng )建一個(gè)硬件加速器(圖2)。
當操作直接在DSP數據路徑中進(jìn)行時(shí),將FPGA作為一個(gè)DSP模塊來(lái)實(shí)現操作,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的數據通路中對模塊進(jìn)行實(shí)體化。你可以使用傳統的HDL設計方法,或通過(guò)像Xilinx System Generator for DSP這樣的系統工具,來(lái)進(jìn)行實(shí)體化。這種直接實(shí)體化方式,能夠讓開(kāi)發(fā)人員以最小的開(kāi)銷(xiāo)達到最高的性能。
主流的C綜合工具可實(shí)現的性能,能夠與手寫(xiě)RTL相媲美——但要做到這一點(diǎn),需要對C綜合工具的工作原理和代碼風(fēng)格有詳盡的了解。為了達到所要求的性能,通常需要對代碼進(jìn)行修改,并且添加內聯(lián)綜合指令,以插入并行和流水線(xiàn)級。雖然要進(jìn)行這些改進(jìn),但是設計效率還是能夠大大提高。C系統模型仍然是驅動(dòng)設計流程的主要因素。
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(jiǎn)單的方法。在該方法中,仍然主要使用處理器來(lái)運行C程序,只是將對性能有重大影響的操作以硬件加速器的形式放置到FPGA邏輯中執行。這是一種更偏向于以軟件為中心的設計方法。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(xiàn)相連。這就創(chuàng )建了一個(gè)硬件加速器,它能夠被調入到Xilinx EDK環(huán)境中,并且被軟件友好的C程序調用。
對將C程序映射到硬件加速器的性能要求,通常不是那么苛刻。這里的目標是使性能比使用純軟件實(shí)現的方法得到提高,同時(shí)保持軟件友好的設計流程。雖然仍有編碼技術(shù)和內聯(lián)綜合指令,但通??梢圆皇褂盟鼈兙瓦_到所要求的性能提升。
設計方法——采用FPGA協(xié)處理的障礙
正確劃分和實(shí)現一個(gè)復雜DSP系統,需要花費大量時(shí)間和精力掌握所需的技能。Forward Concepts市場(chǎng)調查公司為了確定在DSP設計中選用FPGA最重要的標準,開(kāi)展了一項調查。調查的結果表明開(kāi)發(fā)工具是最重要的選擇標準,如圖3所示。
調查結果顯示,使用FPGA協(xié)處理器實(shí)現DSP硬件系統的優(yōu)勢,已經(jīng)得到用戶(hù)的充分認可,但對于傳統的DSP設計者來(lái)說(shuō),開(kāi)發(fā)工具現有的狀況,成為他們采用這一設計方法的障礙。
Xilinx ESL計劃
ESL設計工具將數字設計的抽象度在RTL的基礎上又提高了一步。其中部分工具專(zhuān)門(mén)用來(lái)將由C/C++開(kāi)發(fā)的系統模型映射到包含FPGA和DSP處理器的DSP系統中。此舉的目的是使硬件平臺對軟件設計者變得透明(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(chǎng)商攜手啟動(dòng)了一個(gè)被稱(chēng)為ESL計劃的合作項目。這一合作計劃的主要目標是賦予設計者軟件編程的能力,使他們能夠在可編程硬件中輕松地實(shí)現自己的想法,而無(wú)需學(xué)習傳統的硬件設計技巧。該計劃融合了ESL成員機構的創(chuàng )新,能夠加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程,推動(dòng)設計人員采用世界上最先進(jìn)的設計方法。
結論
將Xilinx ESL合作伙伴的工具結合在一起,能夠提供廣泛的互補性解決方案,這些解決方案已針對一系列產(chǎn)品、平臺和最終用戶(hù)進(jìn)行了優(yōu)化。Xilinx公司也在集中力量研究互補技術(shù)。例如,AccelDSP綜合為在浮點(diǎn)MATLAB中開(kāi)發(fā)的算法提供了硬件實(shí)現的方法,而Xilinx System Generator for DSP使得用ESL設計開(kāi)發(fā)的模塊,能夠輕松地與Xilinx IP和嵌入式處理器結合起來(lái)。借助多個(gè)極富創(chuàng )新精神的合作伙伴的工作,是實(shí)現程序員期望的FPGA設計流程最快捷的途徑。
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原文標題:FPGA協(xié)處理的優(yōu)勢有哪些?如何去使用FPGA協(xié)處理?
文章出處:【微信號:gh_9d70b445f494,微信公眾號:FPGA設計論壇】歡迎添加關(guān)注!文章轉載請注明出處。
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