FPGA協(xié)同處理的優(yōu)勢

摘要： 本文介紹的ESL技術為傳統(tǒng)的DSP系統(tǒng)設計人員提供了有效的FPGA的設計實現(xiàn)方法。

關鍵詞： DSP；FPGA；ESL

傳統(tǒng)的、基于通用DSP處理器并運行由C語言開發(fā)的算法的高性能DSP平臺，正在朝著使用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(tǒng)進行設計的團隊，仍會避免使用FPGA，因為他們缺乏必要的硬件技能，來將FPGA用作協(xié)處理器(圖1)。不熟悉像VHDL和Verilog這樣傳統(tǒng)的硬件設計方法，限制或阻止了FPGA的使用，這通常會導致設計成本過高，且功耗過大。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(guī)軟硬件設計方式的同時，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的使用靈活的特點，大幅提升DSP系統(tǒng)的性能。通常的設計示例包括(并不局限于)FIR濾波、FFT、數(shù)字下變頻和前向糾錯(FEC)模塊等。
Xilinx的Virtex-4和Virtex-5架構提供了多達512個并行乘法器，它們能夠以超過500MHz的速度運行，提供256GMAC的DSP峰值性能。通過在FPGA上實現(xiàn)高速并行處理，而在DSP上實現(xiàn)高速串行處理，可以使整個DSP系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化，同時降低系統(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架構實現(xiàn)的并行操作，能夠被直接用于DSP的數(shù)據(jù)路徑，或被配置為一個嵌入式處理器的硬件加速器。
設計者所面對的挑戰(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機會：將所有非關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(tǒng)所需硬件資源的總量。

C程序到系統(tǒng)門

在FPGA的應用中，術語“C程序到系統(tǒng)門”特指如下兩種實現(xiàn)方法之一--在FPGA架構上直接實現(xiàn)一個DSP模塊或為MicroBlaze或PowerPC 405嵌入式處理器創(chuàng)建一個硬件加速器(圖2)。

圖2  DSP硬件系統(tǒng)的C程序實現(xiàn)方法

當操作直接在DSP數(shù)據(jù)路徑中進行時，將FPGA作為一個DSP模塊來實現(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)通路中對模塊進行實體化。你可以使用傳統(tǒng)的HDL設計方法，或通過像Xilinx System Generator for DSP這樣的系統(tǒng)工具，來進行實體化。這種直接實體化方式，能夠讓開發(fā)人員以最小的開銷達到最高的性能。

主流的C綜合工具可實現(xiàn)的性能，能夠與手寫RTL相媲美--但要做到這一點，需要對C綜合工具的工作原理和代碼風格有詳盡的了解。為了達到所要求的性能，通常需要對代碼進行修改，并且添加內聯(lián)綜合指令，以插入并行和流水線級。雖然要進行這些改進，但是設計效率還是能夠大大提高。C系統(tǒng)模型仍然是驅動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)建一個硬件加速器通常是一個更為簡單的方法。在該方法中，仍然主要使用處理器來運行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(zhí)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現(xiàn)的方法得到提高，同時保持軟件友好的設計流程。雖然仍有編碼技術和內聯(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

正確劃分和實現(xiàn)一個復雜DSP系統(tǒng)，需要花費大量時間和精力掌握所需的技能。2005年，F(xiàn)orward Concepts市場調查公司為了確定在DSP設計中選用FPGA最重要的標準，開展了一項調查。調查的結果表明開發(fā)工具是最重要的選擇標準。

調查結果顯示，使用FPGA協(xié)處理器實現(xiàn)DSP硬件系統(tǒng)的優(yōu)勢，已經得到用戶的充分認可，但對于傳統(tǒng)的DSP設計者來說，開發(fā)工具現(xiàn)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(shù)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對軟件設計者變得透明(圖3)。

圖3  Xilinx ESL計劃的設計流程。

今年，為了全面解決上述障礙，Xilinx公司和主要的ESL工具廠商攜手啟動了一個被稱為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現(xiàn)自己的想法，而無需學習傳統(tǒng)的硬件設計技巧