基于FPGA協(xié)處理器的算法加速的實(shí)現(xiàn)

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(guò)程：

圖2：C-HDL設(shè)計(jì)流程

1. 使用標(biāo)準(zhǔn)C工具實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序或算法。開發(fā)一種軟件測(cè)試向量(test bench)用于基線性能和正確性(主機(jī)或臺(tái)式電腦仿真)測(cè)試。使用一種編譯器(例如gprof)來(lái)開始確定關(guān)鍵的函數(shù)。

2. 確定是否浮點(diǎn)到定點(diǎn)轉(zhuǎn)換適當(dāng)。使用庫(kù)或宏來(lái)輔助這種轉(zhuǎn)換，使用一個(gè)基線測(cè)試向量來(lái)分析性能和準(zhǔn)確性。使用編譯器來(lái)重新評(píng)估關(guān)鍵函數(shù)。

3. 使用C到HDL轉(zhuǎn)換工具(如Impulse C)，在每個(gè)關(guān)鍵功能上重復(fù)，以實(shí)現(xiàn)：將算法分割成并行的進(jìn)程;創(chuàng)建硬件/軟件進(jìn)程接口(流、共享存儲(chǔ)器、信號(hào));對(duì)關(guān)鍵的代碼段(例如內(nèi)部代碼循環(huán))進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化和并行化;使用桌面電腦仿真、周期準(zhǔn)確的C仿真以及實(shí)際的在系統(tǒng)測(cè)試對(duì)得到的并行算法進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)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(cè)試。

Impulse：C到HDL轉(zhuǎn)換工具

如圖3所示的Impulse C通過(guò)結(jié)合使用C兼容庫(kù)函數(shù)與Impulse CoDeveloper C代碼到硬件的編譯器，使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能創(chuàng)建高度并行的、FPGA加速的應(yīng)用。Impulse C通過(guò)使用定義完好的數(shù)據(jù)通信、消息傳遞和同步處理機(jī)制，簡(jiǎn)化了硬件/軟件混合應(yīng)用設(shè)計(jì)。Impulse C提供了C代碼(例如循環(huán)流水線處理、展開和運(yùn)算符調(diào)度)的自動(dòng)優(yōu)化以及交互式工具，允許你對(duì)每個(gè)周期的硬件行為進(jìn)行分析。

圖3. Impulse C

Impulse C設(shè)計(jì)用于面向數(shù)據(jù)流的應(yīng)用，但是它也具有足夠的靈活性來(lái)支持其他的編程模型，包括使用共享存儲(chǔ)器。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榛?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA不同的應(yīng)用具有不同的性能和數(shù)據(jù)要求。在一些應(yīng)用中，通過(guò)塊存儲(chǔ)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！⒕幾g和評(píng)估可選的算法的能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)某個(gè)應(yīng)用最佳的結(jié)果來(lái)說(shuō)，非常重要。

到目前為止，Impulse C庫(kù)包含以新數(shù)據(jù)類型和預(yù)定義的函數(shù)調(diào)用形式的最少C語(yǔ)言擴(kuò)展。使用Impulse C函數(shù)調(diào)用，你可以定義多個(gè)并行程序段(調(diào)用進(jìn)程)，并使用流、信號(hào)和其他機(jī)制描述它們的互連。Impulse C編譯器將這些C語(yǔ)言進(jìn)程轉(zhuǎn)換并優(yōu)化成：可以綜合到FPGA的較低級(jí)HDL，或可以通過(guò)廣泛存在的C交叉編譯器編譯到支持的微處理器上標(biāo)準(zhǔn)C(帶相關(guān)的庫(kù)調(diào)用)。

完整的CoDeveloper開發(fā)環(huán)境包括與標(biāo)準(zhǔn)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(tái)式電腦仿真庫(kù)。使用這些庫(kù)，Impulse C程序設(shè)計(jì)工程師能編譯和執(zhí)行他們用于算法驗(yàn)證和調(diào)試目的的應(yīng)用程序。C程序設(shè)計(jì)工程師還能檢驗(yàn)并行進(jìn)程，分析數(shù)據(jù)移動(dòng)，并利用CoDeveloper Application Monitor解決進(jìn)程到進(jìn)程的通信問題。

在編譯時(shí)，Impulse C應(yīng)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(jìn)程的自動(dòng)產(chǎn)生的HDL文件;

2. 用于描述連接硬件進(jìn)程到系統(tǒng)總線所需的流、信號(hào)和存儲(chǔ)器組件的自動(dòng)產(chǎn)生的HDL文件;

3. 自動(dòng)產(chǎn)生的軟件組件(包括運(yùn)行時(shí)間庫(kù))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(yīng)用程序到目標(biāo)FPGA布局布線環(huán)境。這種編譯進(jìn)程的結(jié)果是一個(gè)完整的應(yīng)用，包括需要的硬件/軟件接口，用于在基于FPGA的編程平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。