基于C/C++的大規(guī)模FPGA設(shè)計(jì)

背景

可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了布爾等式，原理圖輸入，硬件描語(yǔ)言這樣一個(gè)發(fā)展過(guò)程。隨著設(shè)計(jì)的日益復(fù)雜和可編程邏輯器件規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們不停地尋求更加抽象的行為級(jí)設(shè)計(jì)方法，以便在盡可能短時(shí)間內(nèi)完成自己的設(shè)計(jì)構(gòu)思。

現(xiàn)狀與問(wèn)題

今天，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域形成了這樣一種分工：軟件和硬件，相應(yīng)工程師也被分成軟件工程師和硬件工程師。對(duì)于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，人們通常先建立系統(tǒng)模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析任務(wù)，然后將一部分工作劃給軟件工程師，將另一部分工作交給硬件工程師。硬件工程師為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，使用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)高速執(zhí)行的芯片，而這種設(shè)計(jì)是富有挑戰(zhàn)性和花費(fèi)時(shí)間的，需要一定的硬件工程技巧。

對(duì)于軟件工程師，這些同樣的功能只要簡(jiǎn)單地使用C語(yǔ)言整合到整個(gè)系統(tǒng)的程序代碼中就可以了。但是傳統(tǒng)的處理器是順序執(zhí)行的，并且他們執(zhí)行的高速計(jì)算必須依賴(lài)于高速時(shí)鐘，這樣就限制了處理器的能力。同時(shí)，軟件實(shí)現(xiàn)算法存在一個(gè)指令執(zhí)行周期的問(wèn)題——軟件永遠(yuǎn)也不能達(dá)到硬件執(zhí)行的速度。

當(dāng)然，很少有嵌入式應(yīng)用是完全使用可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。串行化的步進(jìn)式算法最好是由CPU或DSP用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。（參閱文章：DSP+FPGA實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)）最佳的硬件加速性能大多是由并行執(zhí)行的功能來(lái)完成，其物理形式通常是將硬件協(xié)處理器（FPGA)與CPU緊密的結(jié)合在一起，CPU與FPGA的緊密結(jié)合可以提供軟硬件的最佳連接方式。在這種結(jié)構(gòu)中，CPU通常運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)用方面的程序，實(shí)時(shí)很強(qiáng)的任務(wù)放到FPGA硬件上，這樣可以減輕處理器的負(fù)荷，從而獲得更大的帶寬。這樣我們可以通過(guò)把算法移植到硬件上來(lái)克服設(shè)計(jì)瓶頸。但是這時(shí)我們又將面臨一個(gè)問(wèn)題：設(shè)計(jì)者必須使用復(fù)雜的硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)FPGA代碼，而這些功能原本是用簡(jiǎn)單C語(yǔ)言在處理器或DSP中實(shí)現(xiàn)的。人們希望能夠找到一種方法，在更高的層次下設(shè)計(jì)更復(fù)雜，更高速的系統(tǒng)，并希望將軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)統(tǒng)一到一個(gè)平臺(tái)下。

解決方案

C/C++語(yǔ)言是軟件工程師在開(kāi)發(fā)商業(yè)軟件時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，也是使用最為廣泛的高級(jí)語(yǔ)言，人們很早就開(kāi)始嘗試在C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)下一代硬件描述語(yǔ)言。

許多公司已經(jīng)提出了不少方案，目前有兩種相對(duì)成熟的硬件C語(yǔ)言：systemC和Handle-C，它們相應(yīng)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為：CoCentricSystemStadio和CeloxicaDK1。這兩種語(yǔ)言都是在C/C＋＋的基礎(chǔ)上根據(jù)硬件設(shè)計(jì)的需求加以改進(jìn)和擴(kuò)充，用戶(hù)可以在它們的開(kāi)發(fā)環(huán)境編輯代碼，調(diào)用庫(kù)文件，甚至可以引進(jìn)HDL程序，并進(jìn)行仿真，最終生成網(wǎng)表文件，放到FPGA中執(zhí)行。軟件算法工程師不需要特別的培訓(xùn)，利用他們熟悉的C語(yǔ)言就可以直接進(jìn)行硬件開(kāi)發(fā)，減輕了硬件開(kāi)發(fā)的瓶頸和壓力。隨著算法描述抽象層次的提高，使用這種C語(yǔ)言設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

現(xiàn)在有很多硬件描述語(yǔ)言的人才，也有更多的資深的C語(yǔ)言編程者，他們能夠利用這種工具，可以輕松地轉(zhuǎn)到FPGA設(shè)計(jì)上。過(guò)去因?yàn)樘珡?fù)雜而不能用硬件描述語(yǔ)言表示的算法以及由于處理器運(yùn)行速度太慢而不能處理的算法，現(xiàn)在都可以利用C語(yǔ)言在大規(guī)模FPGA硬件上得以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)者可以利用C語(yǔ)言快速而簡(jiǎn)潔的構(gòu)建功能函數(shù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和函數(shù)調(diào)用技術(shù)，設(shè)計(jì)者還能在很短的時(shí)間里創(chuàng)建更龐大，更復(fù)雜和更高速的系統(tǒng)。

問(wèn)題與展望

正如同硬件描述語(yǔ)言與原理圖輸入的關(guān)系，或是高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的關(guān)系，抽象的設(shè)計(jì)方法會(huì)減少我們的設(shè)計(jì)時(shí)間，但也會(huì)增加對(duì)硬件資源的需求，C語(yǔ)言也不例外。目前直接使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性還在進(jìn)一步的研究和發(fā)展中,可以說(shuō)，目前各種硬件C語(yǔ)言的編譯軟件都還不夠成熟，很少能直接投入到實(shí)際產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中。C語(yǔ)言輸入方式的廣泛使用還有賴(lài)于更多EDA軟件廠家和FPGA公司的支持。但是可以預(yù)見(jiàn)，隨著EDA技術(shù)的不斷成熟，軟件和硬件的概念將日益模糊，在5－10年以后，使用單一的高級(jí)語(yǔ)言直接設(shè)計(jì)我們的整個(gè)系統(tǒng)將是一個(gè)的發(fā)展趨勢(shì)。