基于C語言的設(shè)計方式

在最近幾年中日益流行在高性能嵌入式應(yīng)用中使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。FPGA已經(jīng)被證明有能力處理各種不同的任務(wù)，從相對簡單的控制功能到更加復(fù)雜的算法操作。雖然FPGA在某些功能上比ASIC硬件具有時間和成本上的優(yōu)勢，但在面向軟件應(yīng)用中的FPGA比傳統(tǒng)處理器和DSP的優(yōu)勢并沒有體現(xiàn)出來。這很大程度上是由于過去割裂了硬件和軟件開發(fā)工具和方法之間的關(guān)系。


　　 然而最近FPGA在軟件設(shè)計工具方面的發(fā)展，及器件容量的持續(xù)增加為軟件開發(fā)者創(chuàng)造了新的環(huán)境。在這種環(huán)境下，F(xiàn)PGA可視為軟件編譯器的一個可能的目標(biāo)?，F(xiàn)在，工具能夠幫助軟件工程師利用FPGA平臺，同時在結(jié)合了傳統(tǒng)處理器（或軟處理器核）和FPGA的單一目標(biāo)平臺上，幫助這些開發(fā)者利用其所具有的高度算法并行性。


　　 基于FPGA的計算平臺，尤其是那些具有嵌入式“軟”處理器的平臺，有能力實現(xiàn)非常高性能的應(yīng)用。通過使用最新一代的硬件/軟件協(xié)同設(shè)計工具，有可能使用多種面向軟件的設(shè)計方式作為FPGA設(shè)計過程的一部分。


　　 使用基于FPGA的參考平臺


　　 FPGA中使用嵌入式處理器的優(yōu)勢之一是能夠在單個可編程器件上建立硬件/軟件開發(fā)對象——等效硬件參考平臺。 快速下載和測試新的軟件/硬件配置的能力也能大大提高設(shè)計率。通過使用嵌入式處理器作為測試生成器，單獨的硬件部件也可以快速地驗證功能。


　　 這種快速原型平臺的典型例子是Altera公司提供的Nios開發(fā)包。Cyclone或Stratix FPGA中都包括這個工具包，除了高性能的Nios 32位軟核處理器核之外還包括多種硬件和軟件外設(shè)接口。在設(shè)計過程中可以選擇這種核，使用Altera SOPC Builder工具配置并下載到相應(yīng)的FPGA中。板上本身的連接容許直接和各種不同的外部部件連接，從串口（RS232和USB）到Flash存儲器和網(wǎng)絡(luò)接口。


　　 在開發(fā)過程中使用這種板子并結(jié)合Altera工具，容許嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者用應(yīng)用原型所需的部件（包括嵌入式處理器）組成目標(biāo)平臺。然后，軟件開發(fā)者能夠關(guān)注應(yīng)用本身，分析和試驗不同的硬件/軟件劃分方案。


　 權(quán)衡硬件和軟件資源


　　 在一些高性能嵌入式應(yīng)用中，從產(chǎn)品構(gòu)建費用和開發(fā)成本考慮最佳的資源使用方案是混合處理器方案。在這種方案中非關(guān)鍵性能的功能由主處理器實現(xiàn)（它們可能是或不是嵌入式處理器核），而大計算量的部件是一個或多個DSP芯片、或者其它專用ASIC或FPGA。這種的解決方案通常需要豐富的硬件設(shè)計和工具的知識，但是在性能和成本方面上具有最佳的收益。


　　 對于系統(tǒng)中的每個處理單元（即標(biāo)準(zhǔn)處理器、DSP、FPGA或ASIC），需要不同水平的專用技能。例如，雖然DSP是軟件可編程的，在工具上的初期投入小，但他們需要在DSP專門的設(shè)計技術(shù)方面有一些專門經(jīng)驗，通常需要匯編級的編程技能。在另一方面，F(xiàn)PGA在設(shè)計和工具經(jīng)驗上需要相對高的投入，在硬件設(shè)計語言作為主要的設(shè)計輸入方式時尤其如此。


　　 然而FPGA和專用ASIC設(shè)計所需的經(jīng)驗和工具投入相比，顯然FPGA在開發(fā)專用硬件上具有更低的風(fēng)險。的確，相對于專用ASIC方案的簡單性和低風(fēng)險的設(shè)計過程是選擇FPGA的關(guān)鍵因素。最近基于軟件的FPGA設(shè)計工具使這種設(shè)計過程獲得更大的效率。這反過來讓系統(tǒng)設(shè)計者和軟件應(yīng)用開發(fā)者在實際的硬件上能夠更快地嘗試新的算法方式，使用迭代方式進(jìn)行設(shè)計。


　　 這種迭代方式重要好處是能夠一次改變一個單元（例如將關(guān)鍵的算法移至FPGA）。應(yīng)用最初是完全用軟件進(jìn)行原型設(shè)計，并驗證其正確性，然后由FPGA完成特定的功能，這是在每個步驟都要對系統(tǒng)重新進(jìn)行驗證的硬件實現(xiàn)過程。這種方式被證實能大大地縮短調(diào)試時間，降低引入難以調(diào)試的系統(tǒng)錯誤的風(fēng)險。


　　 你如何在考慮“將設(shè)計的哪部分以硬件實現(xiàn)”上做出最明智的選擇？一個普遍采用的方式是從用C，Matlab，SystemC或其它一些軟件編程語言的軟件模型開始。隨著應(yīng)用模型和部件算法的發(fā)展，設(shè)計者確定并發(fā)揮設(shè)計中的并行性（或重新設(shè)計算法），利用可編程硬件在建立并行結(jié)構(gòu)方面的獨有能力。增加并行度通常轉(zhuǎn)化為增加硬件資源。使用軟件模型驗證假設(shè)，建立可重復(fù)的測試組，這些測試組可以作為模型，進(jìn)一步提煉可以進(jìn)行軟件和硬件編譯的內(nèi)容。


　 混合軟硬件設(shè)計方法


　　 現(xiàn)今如何開發(fā)混合軟件和硬件應(yīng)用呢？如果設(shè)計是軟件驅(qū)動的（現(xiàn)今越來越多的設(shè)計是這樣），軟件或系統(tǒng)工程師從編寫代碼（如上所述）來建立系統(tǒng)原型。 另一種是，工程師用更高級的工具如Simulink（來自Mathworks），基于UML的工具或其它系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境開始。 在這個過程中，系統(tǒng)設(shè)計者或軟件工程師將采用更高級的設(shè)計抽象以獲得最大的效率，但是可能獲得很低的性能結(jié)果。因為以這種方式自動選用的處理器類型是受限的，為性能轉(zhuǎn)換低級代碼的機(jī)會相對更少。有經(jīng)驗的嵌入式開發(fā)者可能會進(jìn)一步用匯編語言優(yōu)化應(yīng)用的各個部分，或使用專用處理器（即DSP芯片）來提高性能。硬件工程師可以參與優(yōu)化面向FPGA和ASIC實現(xiàn)的設(shè)計中的那部分接口。


　　 初始系統(tǒng)設(shè)計和劃分完成之后，需要最高性能的各個部分可以手工描述出來，交給硬件工程師。工程師為FPGA或ASIC部分編寫低層的HDL代碼，他們的設(shè)計生產(chǎn)率通常非常低（軟件工程師1/10或更少）。結(jié)果是系統(tǒng)速度增加了，但是代碼和最初的軟件代碼無法對應(yīng)，設(shè)計周期不再一致，系統(tǒng)規(guī)格的改變可能很痛苦。


　　 在這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計者必須作為硬件/軟件仲裁者，指定硬件/軟件接口，鎖定設(shè)計反映設(shè)計的前期時間。一旦硬件開發(fā)認(rèn)真地展開，可能幾乎沒有機(jī)會再次從整體上把握。


　 基于C的設(shè)計和原型工具加速開發(fā)過程


　　 在上述的方式中，最終的設(shè)計是軟件和硬件源文件的組合。 一些需要軟件的編譯/調(diào)試工具流程，其它需要硬件設(shè)計流程和專業(yè)知識。 然而，隨著基于C的FPGA設(shè)計工具的出現(xiàn)，使得在大部分的設(shè)計中可以采用熟悉的標(biāo)準(zhǔn)C語言，尤其在那些本身就是實現(xiàn)算法的硬件電路。 后面的性能轉(zhuǎn)換可能會引入手工的硬件描述語言（HDL）取代自動生成的硬件（正如面向DSP處理器的源代碼通常用匯編重新編寫），但是因為設(shè)計直接從C代碼編譯成最初的FPGA實現(xiàn)，硬件工程師要參與性能轉(zhuǎn)換的時間會進(jìn)一步提早至設(shè)計階段，系統(tǒng)可以用更高效率的軟件設(shè)計模式來進(jìn)行設(shè)計。


　　 CoDeveloper工具（Impluse Accelerated Technologies提供）允許C語言的應(yīng)用編譯后以FPGA網(wǎng)表形式建立硬件，包括允許描述高度并行和多過程應(yīng)用描述所必須的C語言擴(kuò)展。對于包括嵌入式處理器（如Altera的Nios軟核處理器）的目標(biāo)平臺，CoDeveloper可以用來生成必要的硬件/軟件接口，及生成特定過程的低級硬件描述。


　　 采用這種工具和硬件/軟件方式獲得成功的關(guān)鍵是軟件和硬件處理資源之間合理的劃分。好的劃分方案不僅要考慮給定算法部件對計算量的需求，而且要考慮數(shù)據(jù)帶寬需求。這是因為硬件/軟件接口可能是主要的性能瓶頸。


　　 合理地利用高并行應(yīng)用的編程模型也很重要。雖然它試圖用傳統(tǒng)編程方式如遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC）將特定功能交由FPGA處理，但是研究表明面向數(shù)據(jù)流的通信方式更有效率，它不可能引入阻塞或造成應(yīng)用死鎖。在一些情況下，這意味著重新從整體上考慮設(shè)計，尋找新的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行搬移和處理。這么做的結(jié)果是非常顯著的：通過增加應(yīng)用級的并行性，充分利用可編程邏輯資源，這可能將使一般算法比純軟件實現(xiàn)提升幾個數(shù)量級。


　　 在這種應(yīng)用的開發(fā)過程中（或重新工程化），設(shè)計工具是可視化的，能調(diào)試多個并行過程的互連。工具有助于量化地給出劃分方式的結(jié)果，識別可能表示應(yīng)用瓶頸的高數(shù)據(jù)吞吐量的區(qū)域。用戶可以在工具的幫助下，進(jìn)行更詳細(xì)的分析和性能調(diào)整。





圖1，在應(yīng)用調(diào)試和監(jiān)視過程中連接硬件和軟件過程


設(shè)計實例：基于FPGA的圖像慮波器


　　 為了演示這些工具如何用來把算法過程移至FPGA，我們以圖像慮波器為例，其中輸入數(shù)據(jù)流必須非?？焖俚靥幚恚奢敵鰯?shù)據(jù)流。這樣的問題可能涉及大量的計算，而且也是對帶寬要求非常高。


　　 圖2說明一個簡單的圖像慮波器如何工作。在所示的示例中（邊緣檢測慮波器），尤其是3×3窗口的像素數(shù)據(jù)必須以流方式組合和處理。





圖2，圖像慮波器過程一次處理輸入圖像一個像素，在最近的八個像素進(jìn)行卷積


　　 有許多可能的方法實現(xiàn)這種算法。在本例中，兩個流水式硬件處理器用C描述完成這種功能：一個過程生成匹配源圖像的匹配行像素（以像素流讀?。?，同時第二個過程接受第一個過程的數(shù)據(jù)流的結(jié)果，將對每個像素窗口卷積，生成一個輸出圖像，用第二個過程中單一的卷積像素流表示。這個過程和流用Impulse C庫（見附文《Impluse C編程模型》）提供的C兼容的流I/O例程來聲明和讀/寫。


　　 因為算法是用標(biāo)準(zhǔn)C（外加Impulse C庫）描述的，我們能從軟件設(shè)計（用Microsoft Visual Studio開發(fā)）開始，它在桌面仿真環(huán)境下完成圖像算法。這種設(shè)計將兩種硬件過程和圖像卷積功能結(jié)合到軟件臺設(shè)計中（它可以編譯，并以基于PC的臺式機(jī)應(yīng)用或運行在Nios處理器中的嵌入式應(yīng)用運行），它從TIFF格式文件中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這種設(shè)計可以用標(biāo)準(zhǔn)桌面調(diào)試工具和CoDeveloper Application Monitor進(jìn)行設(shè)置和運行。在這種方式下，算法結(jié)果可以在編譯到FPGA平臺之前進(jìn)行驗證。


　 編譯為硬件


　　 用標(biāo)準(zhǔn)桌面C開發(fā)工具仿真它的功能之后，我們準(zhǔn)備用Altera Stratix開發(fā)原型板，在混合FPGA/處理器目標(biāo)上實現(xiàn)該應(yīng)用。Altera Nios開發(fā)包包括所有編譯和綜合至FPGA所需的硬件和軟件（包括自動生成的硬件過程的HDL源文件和表示軟件過程的C源代碼）。Altera提供的軟件結(jié)合Impulse CoDeveloper，為我們提供了從C語言編譯和執(zhí)行測試應(yīng)用所需的一切。


　　 我們第一步是為圖像濾波器本身生成硬件。為了達(dá)到這一目的，我們從CoDeveloper工具中選用Altera Nios Platform Support Package，處理相關(guān)的Impulse C源文件。這將產(chǎn)生大約1200行的RTL和相關(guān)的硬件/軟件接口源文件。


　　 接下來，用Altera Quartus工具建立新的項目，生成包括必要外設(shè)的Nios處理器核（用Altera的SOPC Builder）。CoDeveloper輸出生成的硬件和軟件文件給Quartus。使用Altera的框圖工具，我們通過Avalon片內(nèi)總線將生成的硬件過程和Nios處理器相連。


　　 整個系統(tǒng)用Altera Quartus綜合。應(yīng)用的軟件部分（主要由測試生成器和客戶功能組成，包括組函數(shù)）也導(dǎo)入Quartus項目，用所包含的Nios編譯器編譯。


　　 最后，用Altera工具生成bit文件，通過提供的并口電纜下載到平臺上。在這個平臺按預(yù)期要求上電和運行。


　　 在這個例子中，顯式流水的兩個圖像濾波器過程和由CoDeveloper C自動為硬件編譯器生成的流水在每兩個FPGA時鐘周期獲得最佳的單像素圖像處理速率，相當(dāng)于大約10ms完成整個512×512圖像的處理速度。


　　 當(dāng)然，在FPGA上任何算法的性能是取決于I/O因素及算法本身。在我們的圖像濾波器測試方案中，圖像數(shù)據(jù)從Nios上運行的測試生成器通過Avalon片內(nèi)互連傳送到生成的FPGA硬件上，這樣可以獲得比上述最大像素速率低得多的有效吞吐量。另一個算法版本中，像素數(shù)據(jù)直接從FPGA硬件接口傳送和讀取，這樣做的結(jié)果會最接近最佳的結(jié)果。因此考慮帶寬的限制是非常重要的。象CoDeveloper這樣的工具可以更容易和更快地進(jìn)行這方面的評估和實驗。



附文：Impluse C編程模型


　　 建立軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計需要對并行編程技術(shù)有所了解。為了幫助建立高度并行的混合硬件/軟件應(yīng)用，Impulse C庫包括了設(shè)置和管理多個獨立過程的功能，它可以通過數(shù)據(jù)流、信號和可選的共享存儲資源相連接。


　　 Impulse C編程模型（概念上和1980年C.A.R.Hoare描述的通信時序處理模型類似）提供了對硬件/軟件劃分和同步的系統(tǒng)級控制，同時允許用標(biāo)準(zhǔn)C構(gòu)造編寫和自動優(yōu)化獨立過程。



圖a，Impulse C編程模型：通信主要通過數(shù)據(jù)流（映射為生成硬件中的FIFO），其它需要同步的信號，本地存儲器。


　　 使用Impulse C庫功能，C語言可用來描述高度并行的應(yīng)用，具有最小的軟件編程復(fù)雜度，同時具有用標(biāo)準(zhǔn)C開發(fā)環(huán)境下編譯和調(diào)試的能力。例如，使用Impulse C庫功能，一個簡單的圖像濾波器可以用如下的代碼風(fēng)格描述（實際算法省略）


　　 這設(shè)計方法的結(jié)果是底層硬件平臺的實際情況被抽象，用戶（他可能是有經(jīng)驗的C程序員，但幾乎沒有硬件設(shè)計知識）不必學(xué)習(xí)硬件設(shè)計方法，就可以描述和運行混合軟件/硬件應(yīng)用。