運(yùn)用SAD算法降低FPGA資源利用率
新加坡南洋理工大學(xué) 賽靈思供稿
Sharad Sinha 高性能嵌入式系統(tǒng)中心
摘要： 資源共享是一種在保持功能性的同時(shí)減少面積或資源占用率的傳統(tǒng)方法。其中包括通過將一個(gè)以上的運(yùn)算映射到一個(gè)運(yùn)算器，實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算器(如加法器、乘法器等)的共享。例如，共享后3個(gè)加法器可執(zhí)行6個(gè)而不是3個(gè)加運(yùn)算，使用的加法器數(shù)量減少了一半，從而減少了資源占用率。通過Xilinx ISE軟件，可以在合成屬性對(duì)話框中開啟相應(yīng)開關(guān)(resource sharing)后進(jìn)行資源共享。當(dāng)在一個(gè)if-else程序塊(圖1)或case-endcase程序塊(圖2)中描述互斥的任務(wù)后，這些工具能檢測(cè)并實(shí)施資源共享。
Abstract：
Key words :
基于FPGA的設(shè)計(jì)，需要仔細(xì)檢查設(shè)計(jì)所占用的面積以及實(shí)施后的時(shí)序性能，以確保設(shè)計(jì)適合目標(biāo)器件，并滿足其時(shí)序或吞吐力要求。在基于FPGA的商用設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師通常會(huì)將查找表(LUT)的資源占用率上限設(shè)置為80%左右，以便為未來升級(jí)和功能改進(jìn)留有資源，并可讓時(shí)序收斂更容易。余下約20%的空閑LUT留下了空余的布線資源，有助于滿足嚴(yán)格的時(shí)序約束。
在設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA結(jié)構(gòu)里嵌入的邏輯越多，占用的布線資源就會(huì)越多。綜合工具或許能將更多邏輯成功地映射到LUT和其它資源，但很可能無法在二者之間布線。因?yàn)楝F(xiàn)有的邏輯已經(jīng)顯著提高了互連使用率，已經(jīng)沒有端到端路徑來路由更多連接的信號(hào)。即使可能存在布線空間，布線器也無法對(duì)其建立端到端連接。因此，雖然有可用的LUT資源，但設(shè)計(jì)受到了“互連限制”，所以有可能無法進(jìn)行擴(kuò)展。
減少設(shè)計(jì)面積還具有經(jīng)濟(jì)意義。在符合應(yīng)用要求的情況下，F(xiàn)PGA器件越小，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本則越低。當(dāng)然，如果有以太網(wǎng)模塊、嵌入式處理器或收發(fā)器等特殊需求，就需要選擇能通過硬IP或軟IP支持這些模塊的FPGA。不過在設(shè)計(jì)中，減少其它部件的使用面積，仍有助于從支持這類特殊模塊的FPGA系列中進(jìn)行選擇。
資源共享
資源共享是一種在保持功能性的同時(shí)減少面積或資源占用率的傳統(tǒng)方法。其中包括通過將一個(gè)以上的運(yùn)算映射到一個(gè)運(yùn)算器，實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算器(如加法器、乘法器等)的共享。例如，共享后3個(gè)加法器可執(zhí)行6個(gè)而不是3個(gè)加運(yùn)算，使用的加法器數(shù)量減少了一半，從而減少了資源占用率。通過Xilinx ISE軟件，可以在合成屬性對(duì)話框中開啟相應(yīng)開關(guān)(resource sharing)后進(jìn)行資源共享。當(dāng)在一個(gè)if-else程序塊(圖1)或case-endcase程序塊(圖2)中描述互斥的任務(wù)后，這些工具能檢測(cè)并實(shí)施資源共享。
圖1：if-else程序塊
圖2：case-endcase程序塊
如圖所示，這些任務(wù)都是互斥的。因此，啟用資源共享后，8個(gè)加運(yùn)算可以共享兩個(gè)加號(hào)。這類資源共享依賴于鑒別寄存器傳輸級(jí)(RTL)設(shè)計(jì)中可能存在的互斥任務(wù)。然而，如果不存在互斥任務(wù)，資源應(yīng)該如何共享？這樣做又有何利弊？為了回答這個(gè)問題，下面將從更高層次的抽象概念對(duì)資源共享進(jìn)行深入研究。
比RTL更勝一籌
“更高層次的抽象概念”是指比RTL更高級(jí)別的設(shè)計(jì)描述，可在RTL準(zhǔn)備好前對(duì)要實(shí)施的應(yīng)用進(jìn)行分析。如果可以通過分析應(yīng)用來了解其內(nèi)在并行性，則在RTL設(shè)計(jì)中也可以這樣做。此外，對(duì)應(yīng)用的數(shù)據(jù)流程圖進(jìn)行分析有助于設(shè)計(jì)資源共享的實(shí)施。
數(shù)據(jù)流程圖能提供關(guān)于應(yīng)用數(shù)據(jù)流的信息。數(shù)據(jù)從一個(gè)運(yùn)算流向另一個(gè)運(yùn)算，因此在運(yùn)算之間可能存在著數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。不相互依賴的運(yùn)算可以并行執(zhí)行。不過并行執(zhí)行幾乎總是造成很高的資源占用率，而目標(biāo)是降低資源占用率，所以暫不討論并行執(zhí)行這種模式。
下面將以絕對(duì)差值和(SAD)算法為例，介紹如何從比RTL更高層次的抽象層分析資源共享，讓資源占用率比依賴RTL設(shè)計(jì)中的互斥任務(wù)的方法更低。
SAD是MPEG-4解碼器動(dòng)作估計(jì)部分中的一種重要算法，也能用于物體識(shí)別。在這種以像素為基礎(chǔ)的方法中，圖像區(qū)塊中每個(gè)像素的值都與另一幅圖像中相應(yīng)像素的值相減，以確定該圖像的哪些部分從一幀移到了另一幀。如果圖像區(qū)塊大小為4x4，則最后會(huì)將全部16個(gè)絕對(duì)差值相加。在開源xvid解碼器的sad.c文件末尾有代碼示例。
圖3顯示了用這一算法處理一個(gè)4x4圖像區(qū)塊時(shí)的數(shù)據(jù)流圖(DFG)。這些減法運(yùn)算可以并行，因?yàn)槠渲械臏p法運(yùn)算不依賴于其它任何減法運(yùn)算。但由于目的在于降低資源占用率，所以并不采用并行執(zhí)行模式。而是采用一種稱為基于擴(kuò)展兼容路徑(ECPB)硬件綁定的資源分配和綁定算法。
圖3：SAD算法的數(shù)據(jù)流圖
資源的分配和綁定主要是指為DFG中的運(yùn)算分配加號(hào)、乘號(hào)等資源，然后將這些資源綁定到運(yùn)算，以便降低器件的資源占用率、提高最大時(shí)鐘頻率，或同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者。原則是在最終設(shè)計(jì)符合功能限制的前提下縮小面積。此算法可以檢測(cè)已調(diào)度的DFG(即其運(yùn)算已在不同步驟或時(shí)鐘周期中進(jìn)行了調(diào)度)中各運(yùn)算間流程的依存關(guān)系，并分析出運(yùn)算內(nèi)部(intra-operation)流程的依存關(guān)系。
此算法將可并行的運(yùn)算調(diào)度在同一時(shí)間步驟中，并將需要依賴于其它運(yùn)算數(shù)據(jù)的運(yùn)算調(diào)度到不同的時(shí)間步驟中。它為已調(diào)度DFG中的每種運(yùn)算都建立了一個(gè)加權(quán)的有序相容圖(WOCG)。因此，減法運(yùn)算有一個(gè)WOCG，加法運(yùn)算則有另外一個(gè)WOCG。這種方法使用了加權(quán)關(guān)系Wij =1+α×Fij +β×Nij +y ×Rij來為WOCG中的各邊(edges)分配權(quán)重。在這里，Wij即同類型的i和j運(yùn)算之間的權(quán)重值。Fij是流程依存關(guān)系的權(quán)重值，而Nij是運(yùn)算i和j之間的共模輸入數(shù)量。如果運(yùn)算i和j的輸出結(jié)果可以存入同一個(gè)寄存器，則Rji的值為1，否則即為0。在本例中，將調(diào)整參數(shù)數(shù)α、β和γ的值分別設(shè)為1、1和2。
接下來的步驟是用最長路徑算法找出WOCG中使用的最長路徑。該最長路徑中的全部運(yùn)算都被映射到同一運(yùn)算器。將綁定運(yùn)算從WOCG中移除后，重復(fù)最長路徑和映射流程，直到處理完所有WOCG。由于這種算法會(huì)將多個(gè)運(yùn)算映射到同一資源或運(yùn)算器，所以運(yùn)算器的容量相當(dāng)大，足以滿足最大規(guī)模的運(yùn)算。在實(shí)施SAD方法的例子中，8位數(shù)據(jù)(灰度圖像)處理了全部減法運(yùn)算，因此，減法運(yùn)算器的輸入寬度是8位。我們將負(fù)責(zé)迭代計(jì)算SAD和的累加運(yùn)算器位寬設(shè)定為23位和8位。
圖4顯示了實(shí)施的SAD算法的數(shù)據(jù)路徑。在這個(gè)設(shè)計(jì)中只使用了一個(gè)減法器和一個(gè)加法器/累加器。各個(gè)運(yùn)算之間有著非常多的資源共享。如果直接在RTL行為層描述設(shè)計(jì)，這種資源共享將不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镾AD算法中不存在互斥的任務(wù)。生成這個(gè)數(shù)據(jù)路徑后，可用加法器、減法器和乘法器模塊分層實(shí)施設(shè)計(jì)。這一包含模塊實(shí)例化的實(shí)施方法比行為化的方法結(jié)構(gòu)更為明晰，并且與后者的數(shù)據(jù)路徑非常相似。
圖4：采用SAD算法的數(shù)據(jù)路徑
在以數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的大型應(yīng)用中，在更高層次進(jìn)行此類預(yù)處理有助于降低資源占用率。此外，這種方法也很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
為了比較ECPB算法生成的數(shù)據(jù)路徑獲得的物理綜合結(jié)果，我們還進(jìn)行了一次完全并行的實(shí)施，兩次與圖4中的數(shù)據(jù)路徑相同的實(shí)施。后兩次是無層次的行為設(shè)計(jì)，最終RTL描述沒有分層，包含引起復(fù)用的“強(qiáng)制”互斥任務(wù)。“強(qiáng)制”是指實(shí)施與圖4中相同的數(shù)據(jù)路徑，但采用了包含互斥任務(wù)的行為描述。其中一種設(shè)計(jì)具有if-else結(jié)構(gòu)，另一種具有case-endcase結(jié)構(gòu)。表1展示了使用Xilinx ISE 12.2(M.63C)軟件默認(rèn)設(shè)置、以Virtex-4XC4VFX140-11FF1517為目標(biāo)器件，且沒有時(shí)間限制的情況下獲得的后時(shí)序(post-place-and-route)結(jié)果。內(nèi)部寄存器也進(jìn)行了相應(yīng)的初始化，所有實(shí)施過程中都沒有重置。
在這個(gè)表格中，RS和NRS分別表示在Xilinx ISE已啟用或禁用資源共享的情況。設(shè)計(jì)方案I和II是因?yàn)椴煌木C合工具可以從不同格式的HDL代碼(if-else、case-end-case)中推論出不同的復(fù)用類型。時(shí)鐘周期沒有考慮抖動(dòng)的情況，所以應(yīng)該根據(jù)時(shí)鐘源規(guī)范降低一定數(shù)量。同時(shí)，任何方案都未使用預(yù)處理寄存器進(jìn)行輸入。
資源節(jié)省
如表所示， LUT消耗顯著降低，最高可達(dá)56%，最少也有20%。不過，資源共享與完全并行的實(shí)施方法不同，后者的數(shù)據(jù)樣本大體上在每個(gè)時(shí)鐘周期都可用，而資源共享使用數(shù)據(jù)樣本處理的過程會(huì)有一些限制。由于資源被共享，只有在前一份數(shù)據(jù)樣本部分或完全處理后，才能處理新的數(shù)據(jù)樣本。在ECPB實(shí)施中，新的P和R系列值至少要在16個(gè)時(shí)鐘周期后才能使用。
雖然這一技術(shù)不是任何地方都適用，但它非常適合運(yùn)用在類似采樣率(sample rate)的應(yīng)用中。例如，ECPB設(shè)計(jì)能夠輕松地在1.016毫秒內(nèi)處理一個(gè)尺寸為720x576的DV-PAL幀，而不會(huì)對(duì)25幀/秒的PAL幀速率產(chǎn)生任何影響。
表1：結(jié)果對(duì)比(RS和NRS分別表示已啟用或禁用資源共享的情況)
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