FPGA協(xié)處理器的優(yōu)勢

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。

圖1 - DSP硬件平臺

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MicroBlaze軟核處理器和性能更高的PowerPC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。

圖2 - DSP硬件系統的C程序實(shí)現方法

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。2005年，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。

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

圖4 C Xilinx ESL計劃的設計流程。

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。