如何采用FPGA協(xié)處理器實現(xiàn)算法加速

當今的設計工程師受到面積、功率和成本的約束，不能采用GHz級的計算機實現(xiàn)嵌入式設計。在嵌入式系統(tǒng)中，通常是由相對數(shù)量較少的算法決定最大的運算需求。使用設計自動化工具可以將這些算法快速轉(zhuǎn)換到硬件協(xié)處理器中。然后，協(xié)處理器可以有效地連接到處理器，產(chǎn)生“GHz”級的性能。

本文主要研究了代碼加速和代碼轉(zhuǎn)換到硬件協(xié)處理器的方法。我們還分析了通過一個涉及到基于輔助處理器單元(APU)的實際圖像顯示案例的基準數(shù)據(jù)均衡決策的過程。該設計使用了在一個平臺FPGA中實現(xiàn)的一個嵌入式PowerPC。

協(xié)處理器的意義

協(xié)處理器是一個處理單元，該處理單元與一個主處理單元一起使用來承擔通常由主處理單元執(zhí)行的運算。通常，協(xié)處理器功能在硬件中實現(xiàn)以替代幾種軟件指令。通過減少多種代碼指令為單一指令，以及在硬件中直接實現(xiàn)指令的方式，從而實現(xiàn)代碼加速。

最常用的協(xié)處理器是浮點單元(FPU)，這是與CPU緊密結(jié)合的唯一普通協(xié)處理器。沒有通用的協(xié)處理器庫，即使是存在這樣的庫，將依然難以簡單地將協(xié)處理器與一個CPU(例如Pentium 4)連接。Xilinx Virtex-4 FX FPGA擁有一個或兩個PowerPC，每個都有一個APU接口。通過在FPGA中嵌入一個處理器，現(xiàn)在就有機會在單芯片上實現(xiàn)完整的處理系統(tǒng)。

帶APU接口的PowerPC使得在FPGA中得以實現(xiàn)一個緊密結(jié)合的協(xié)處理器。因為頻率的需求以及管腳數(shù)量的限制，采用外部協(xié)處理器不大可行。因此可以創(chuàng)建一個直接連接到PowerPC的專用應用協(xié)處理器，大大地提高了軟件速度。因為FPGA是可編程的，你可以快速地開發(fā)和測試連接到CPU的協(xié)處理器解決方案。

協(xié)處理器連接模型

協(xié)處理器有三種基本的形式：與CPU總線連接的、與I/O連接的和指令流水線連接(Instruction Pipeline Connection)。此外，還存在一些這些形式的混合形式。

1. CPU總線連接

處理器總線連接加速器需要CPU在總線上移動數(shù)據(jù)以及發(fā)送命令。通常，單個數(shù)據(jù)處理就需要很多的處理器時鐘周期。因為總線仲裁以及總線驅(qū)動的時鐘是處理器時鐘的分頻，所以會降低數(shù)據(jù)處理速度。一個與總線連接的加速器可以包含一個存儲器存取(DMA)引擎。在增加額外的邏輯情況下，DMA引擎允許協(xié)處理器工作在位于連接到總線的存儲器上的數(shù)據(jù)塊，獨立于CPU。

2. I/O連接

與I/O連接的加速器直接連接到一個專用的I/O端口。通常通過GET或PUT函數(shù)提供數(shù)據(jù)和控制。因為缺少了仲裁、控制復雜度降低以及連接器件較少，因此這些接口的驅(qū)動時鐘通常比處理器總線更快。這種接口的一個較好的例子如Xilinx Fast Simplex Link(FSL)。FSL是一種簡單的FIFO接口，可以連接到Xilinx MicroBlaze軟核處理器或Virtex-4 FX PowerPC。與處理器總線接口中的數(shù)據(jù)移動相比，通過FSL移動的數(shù)據(jù)具有較低的延時和更高的數(shù)據(jù)速率。

3. 指令流水線連接

指令流水線連接加速器直接連接到CPU的計算內(nèi)核。通過與指令流水線連接，CPU不能識別的指令可以由協(xié)處理器執(zhí)行。操作數(shù)、結(jié)果以及狀態(tài)直接從數(shù)據(jù)執(zhí)行流水線向外傳遞，或接收。單個運算可以實現(xiàn)兩個操作數(shù)的處理，同時返回一個結(jié)果和狀態(tài)。

作為一個直接連接的接口，連接道指令流水線的加速器可以用比處理器總線更快的時鐘驅(qū)動。Xilinx通過APU接口實現(xiàn)這種協(xié)處理器連接模型，對于典型的雙操作數(shù)指令，在數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)傳輸上可以縮減10倍的時鐘周期。APU控制器還連接到數(shù)據(jù)緩存控制器，通過它可以執(zhí)行數(shù)據(jù)加載/存儲操作。因此，APU接口能在每秒內(nèi)移動數(shù)百兆字節(jié)，接近DMA速度。

I/O連接加速器或指令流水線連接加速器可以與總線連接加速器結(jié)合起來。在增加額外的邏輯條件下，可以創(chuàng)建一個加速器，這個加速器運行在一個位于總線連接存儲器上的數(shù)據(jù)塊上，通過一個快速、低延時的接口接收命令并返回狀態(tài)。

在本文中介紹的C-HDL工具組可以實現(xiàn)總線連接和I/O連接加速器，它還能實現(xiàn)連接到PowerPC的APU接口的加速器。盡管APU連接是基于指令流水線的，C-HDL工具組實現(xiàn)了一種I/O流水線接口，該接口具有I/O連接加速器的典型性能。

FPGA/PowerPC/APU接口

FPGA允許硬件設計工程師利用單芯片上的處理器、解碼邏輯、外設和協(xié)處理器實現(xiàn)一個完整的計算系統(tǒng)。FPGA可以包含數(shù)千到數(shù)十萬的邏輯單元，可以從這些邏輯單元實現(xiàn)一個處理器，如Xilinx PicoBlaze或MicroBlaze處理器，或者可以是一個或者更多的硬邏輯單元(如Virtex-4 FX PowerPC)。大量的邏輯單元使你可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理單元，這些單元與處理器系統(tǒng)一起工作，由處理器對其進行控制或監(jiān)控。

FPGA作為一種可重復編程的單元，允許你在設計過程中進行編程并對其進行測試。如果你發(fā)現(xiàn)了一個設計缺陷，你可以立即對其進行重新編程設計。FPGA還允許你實現(xiàn)硬件運算功能，而這在以前的實現(xiàn)成本是很高的。CPU流水線與FPGA邏輯之間緊密結(jié)合，這樣就可以創(chuàng)建高性能軟件加速器。

圖1的模塊框圖顯示了PowerPC、集成的APU控制器以及一個與之相連的協(xié)處理器。來自高速緩存或存儲器中的指令可以立即出現(xiàn)在CPU解碼器和APU控制器上，如果CPU能識別指令，則運行這些指令。否則，APU控制器或用戶創(chuàng)建的協(xié)處理器可以對指令做出應答并執(zhí)行指令。一個或者兩個操作數(shù)被傳遞到協(xié)處理器，并返回一個結(jié)果或狀態(tài)。APU接口還支持用一個指令發(fā)送一個數(shù)據(jù)單元。數(shù)據(jù)單元的大小范圍從一個字節(jié)到4個32位的字。

圖1：PowerPC、集成的APU控制器和協(xié)處理器

通過一個結(jié)構(gòu)協(xié)處理器總線(FCB)，可以將一個或多個協(xié)處理器連接到APU接口。連接到總線的協(xié)處理器范圍包括現(xiàn)存的內(nèi)核(例如FPU)到用戶創(chuàng)建的協(xié)處理器。一個協(xié)處理器可以連接到FCB用于控制和狀態(tài)運算，并連接到一個處理器總線，實現(xiàn)直接存儲器數(shù)據(jù)塊訪問以及DMA數(shù)據(jù)傳遞。一種簡化的連接方案，例如FSL，也可以在FCB和協(xié)處理器之間使用，在犧牲一定性能的條件下實現(xiàn)FIFO數(shù)據(jù)和控制通信。

為展示指令流水線連接加速器的性能優(yōu)勢，我們采用一個處理器總線連接FPU首先實現(xiàn)了一個設計，然后采用APU/FCB連接的FPU實現(xiàn)設計。表1總結(jié)了兩種實現(xiàn)方式下有限脈沖響應(FIR)濾波器的性能。如表1中所反映的一樣，連接到一個指令流水線的FPU使軟件浮點運算速度增加30倍，而APU接口相比于總線連接FPU來說改善了近4倍。

表1：未加速與加速的浮點性能

C代碼轉(zhuǎn)換到HDL

采用C到HDL的轉(zhuǎn)換工具將C代碼轉(zhuǎn)換到HDL加速器是一種創(chuàng)建硬件協(xié)處理器的高效方法。圖2所示以及下面詳述的步驟總結(jié)了C到HDL轉(zhuǎn)換的過程：

圖2：C-HDL設計流程

1. 使用標準C工具實現(xiàn)應用程序或算法。開發(fā)一種軟件測試向量(test bench)用于基線性能和正確性(主機或臺式電腦仿真)測試。使用一種編譯器(例如gprof)來開始確定關(guān)鍵的函數(shù)。

2. 確定是否浮點到定點轉(zhuǎn)換適當。使用庫或宏來輔助這種轉(zhuǎn)換，使用一個基線測試向量來分析性能和準確性。使用編譯器來重新評估關(guān)鍵函數(shù)。

3. 使用C到HDL轉(zhuǎn)換工具(如Impulse C)，在每個關(guān)鍵功能上重復，以實現(xiàn)：將算法分割成并行的進程；創(chuàng)建硬件/軟件進程接口(流、共享存儲器、信號)；對關(guān)鍵的代碼段(例如內(nèi)部代碼循環(huán))進行自動優(yōu)化和并行化；使用桌面電腦仿真、周期準確的C仿真以及實際的在系統(tǒng)測試對得到的并行算法進行測試和驗證。

4. 使用C到HDL轉(zhuǎn)換工具將關(guān)鍵的代碼段轉(zhuǎn)換到HDL協(xié)處理器。

5. 將協(xié)處理器連接到APU接口用于最終的測試。

Impulse：C到HDL轉(zhuǎn)換工具

如圖3所示的Impulse C通過結(jié)合使用C兼容庫函數(shù)與Impulse CoDeveloper C代碼到硬件的編譯器，使嵌入式系統(tǒng)設計工程師能創(chuàng)建高度并行的、FPGA加速的應用。Impulse C通過使用定義完好的數(shù)據(jù)通信、消息傳遞和同步處理機制，簡化了硬件/軟件混合應用設計。Impulse C提供了C代碼(例如循環(huán)流水線處理、展開和運算符調(diào)度)的自動優(yōu)化以及交互式工具，允許你對每個周期的硬件行為進行分析。

圖3. Impulse C

Impulse C設計用于面向數(shù)據(jù)流的應用，但是它也具有足夠的靈活性來支持其他的編程模型，包括使用共享存儲器。這一點很重要，因為基于FPGA不同的應用具有不同的性能和數(shù)據(jù)要求。在一些應用中，通過塊存儲器讀和寫在嵌入式處理器和FPGA之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)是有意義的；在其它的情況下，流傳數(shù)通信信道可能提供更高的性能?？梢钥焖俳?、編譯和評估可選的算法的能力對于實現(xiàn)某個應用最佳的結(jié)果來說，非常重要。

到目前為止，Impulse C庫包含以新數(shù)據(jù)類型和預定義的函數(shù)調(diào)用形式的最少C語言擴展。使用Impulse C函數(shù)調(diào)用，你可以定義多個并行程序段(調(diào)用進程)，并使用流、信號和其他機制描述它們的互連。Impulse C編譯器將這些C語言進程轉(zhuǎn)換并優(yōu)化成：可以綜合到FPGA的較低級HDL，或可以通過廣泛存在的C交叉編譯器編譯到支持的微處理器上標準C(帶相關(guān)的庫調(diào)用)。

完整的CoDeveloper開發(fā)環(huán)境包括與標準C編譯器和調(diào)試器(包括微軟公司的Visual Studio和GCC/GDB)兼容的臺式電腦仿真庫。使用這些庫，Impulse C程序設計工程師能編譯和執(zhí)行他們用于算法驗證和調(diào)試目的的應用程序。C程序設計工程師還能檢驗并行進程，分析數(shù)據(jù)移動，并利用CoDeveloper Application Monitor解決進程到進程的通信問題。

在編譯時，Impulse C應用的輸出是一組硬件和軟件源文件，用于輸入到FPGA綜合工具。這些文件包括：

1. 用于描述編譯硬件進程的自動產(chǎn)生的HDL文件；

2. 用于描述連接硬件進程到系統(tǒng)總線所需的流、信號和存儲器組件的自動產(chǎn)生的HDL文件；

3. 自動產(chǎn)生的軟件組件(包括運行時間庫)用于建立任何硬件/軟件流連接的軟件端；

4. 附加文件，包括腳本文件，用于輸入產(chǎn)生的應用程序到目標FPGA布局布線環(huán)境。這種編譯進程的結(jié)果是一個完整的應用，包括需要的硬件/軟件接口，用于在基于FPGA的編程平臺上實現(xiàn)。

設計實例

圖4所示的Mandelbrot圖是一種經(jīng)典的不規(guī)則幾何圖形，該圖形廣泛用在科學和工程學界用于仿真無序事件，例如天氣。不規(guī)則圖形也用于產(chǎn)生紋理和在視頻顯示應用上成像。Mandelbrot圖像描述為自相似性。放大圖形的局部，可以獲得類似于整個圖形的另外一個圖形。

圖4：Mandelbrot圖

Mandelbrot圖形是硬件/軟件協(xié)同設計的理想選擇，因為它具有單個運算密集的函數(shù)。通過將關(guān)鍵的函數(shù)轉(zhuǎn)移到硬件實現(xiàn)將大大地增加整個系統(tǒng)的速度，使這個關(guān)鍵函數(shù)更快。Mandelbrot應用還能清楚地區(qū)分硬件和軟件進程，使用C-HDL工具很容易實現(xiàn)。

本文使用CoDeveloper工具組作為C-HDL工具組用于該設計實例，而且只修改了軟件Mandelbrot C程序以使其與C-HDL工具兼容。其中的改變包括：將軟件項目分割成不同的進程(順序執(zhí)行的獨立單元)；函數(shù)接口轉(zhuǎn)換(硬件到軟件)到流；增加編譯器指令來對產(chǎn)生的硬件進行優(yōu)化。我們隨后使用CoDeveloper工具組來創(chuàng)建Pcore協(xié)處理器，將該協(xié)處理器輸入到Xilinx Platform Studio(XPS)。利用XPS，我們將PC連接到PowerPC APU控制器接口，并測試系統(tǒng)。

Xilinx公司的應用說明資料XAPP901中提供了該設計的全面描述和設計文件，并提供下載。同時，用戶指南UG096提供一種實現(xiàn)設計實例的逐步設計指導。

我們對Mandelbrot圖像紋理問題、圖像濾波應用和三倍DES加密的性能改善進行了測量。性能改善顯示了從11倍到34倍的加速，在表2中做出了總結(jié)。

表2：通過協(xié)處理器加速器的算法加速性能對比

本文小結(jié)

受功率、尺寸和成本的約束，你可能需要做出一個并非理想的處理器選擇，通常所選擇處理器性能比期望的性能低。當軟件代碼不能運行足夠快時，協(xié)處理器代碼加速器成為一種很有吸引力的解決方案。你可以在HDL中手動設計加速器或使用C-HDL工具自動將C代碼轉(zhuǎn)換成HDL。

使用Impulse C這樣的C-HDL工具能使加速器運行更快且更簡單。Virtex-4 FX FPGA具有兩個嵌入式PowerPC，能實現(xiàn)處理器指令流水線到軟件加速器之間緊密的連接。如上所述，關(guān)鍵的軟件程序增加速度10倍到30倍，使300MHz的PowerPC提供等于或高于高性能GHz級處理器的性能。上面的實例每個只需要幾天的時間來產(chǎn)生，顯示了采用C-HDL流程的快速設計、實現(xiàn)和測試。

作者：GlennSteiner,高級工程經(jīng)理,glenn.steiner@xilinx.com
KunalShenoy,設計工程師,kunal.shenoy@xilinx.com
DanIsaacs,嵌入式處理總監(jiān),dan.isaacs@xilinx.com
賽靈思公司先進產(chǎn)品分部
DavidPellerin,首席技術(shù)官,david.pellerin@impulsec.com
ImpulseAccelerated技術(shù)公司