Sébastien Fuhrmann，理學(xué)碩士
研發(fā)工程師
巴黎CNRS-ENSEA-UCP ETIS實(shí)驗(yàn)室（現(xiàn)就職于Elsys Design） se.fuhrmann@gmail.com

Bertrand Granado，博士
教授
巴黎CNRS-ENSEA-UCP ETIS實(shí)驗(yàn)室和UPMC LIP6 實(shí)驗(yàn)室 bertrand.granado@lip6.fr

采用自動(dòng)方法為兩種圖像處理IP核實(shí)現(xiàn)類似于手工RTL編碼的效果

FPGA被廣泛用作信號(hào)處理應(yīng)用中的原型設(shè)計(jì)或SoC實(shí)現(xiàn)工具。它們具備大規(guī)模并行處理功能、豐富的片上存儲(chǔ)器異構(gòu)模塊以及DSP構(gòu)建塊，是一款高 效的實(shí)現(xiàn)方案，往往能夠比肩標(biāo)準(zhǔn)的微處理器、DSP和GPU。而集成ARM® 硬處理器和可編程邏輯的賽靈思28nm Zynq®-7000 All Programmable SoC的問(wèn)世，則使賽靈思器件對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更富吸引力。

盡管FPGA具有優(yōu)異的特性，極富吸引力，但一些設(shè)計(jì)人員出于對(duì)編程復(fù)雜性（編程工作晦澀難懂而且涉及VHDL和Verilog等硬件描述語(yǔ)言）的 顧慮仍然避免使用該器件。而實(shí)用的電子系統(tǒng)級(jí)（ESL）設(shè)計(jì)的問(wèn)世則有望確保簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)并使更多設(shè)計(jì)工程師掌握FPGA編程技術(shù)。

ESL工具在業(yè)內(nèi)由來(lái)已久，其可將設(shè)計(jì)抽象提高到主流寄存器傳輸級(jí)（RTL）之上的水平。[1]在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次失敗之后，這些高層次的設(shè)計(jì)工具最終在 實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛采用。賽靈思已經(jīng)在其最新設(shè)計(jì)工具Vivado® 設(shè)計(jì)套件中采用ESL方法來(lái)解決FPGA的可編程性問(wèn)題。Vivado HLS是一種內(nèi)置ESL的高層次綜合工具，能夠自動(dòng)將C、C++或SystemC轉(zhuǎn)換為HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)。

Vivado HLS與Zynq SoC的推出激發(fā)了我們團(tuán)隊(duì)在工業(yè)學(xué)術(shù)合作項(xiàng)目IP圖像處理解決方案研發(fā)過(guò)程中對(duì)ESL方法和手工編碼進(jìn)行對(duì)比分析的想法。我們希望我們的工作能夠?yàn)槠渌?有興趣的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供公正獨(dú)立的案例研究結(jié)果，因?yàn)檫@些工具仍然比較新，而且有關(guān)一般用戶使用體驗(yàn)的參考文獻(xiàn)也不是很多。BDTI實(shí)驗(yàn) [2, 3]從總體上很好地反映了在更高層面將ESL工具用于FPGA的性能和潛力。但為了能通過(guò)ESL工具來(lái)實(shí)現(xiàn)，BDTI團(tuán)隊(duì)以最佳方式對(duì)源應(yīng)用 （source application）程序進(jìn)行了重寫。

相比之下，我們則采用針對(duì)PC編寫的最初算法的源代碼。

在將IP的手工編碼模塊（之前曾在賽靈思競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的40nm中端產(chǎn)品上驗(yàn)證過(guò)）與Zynq SoC上的ESL編程方法進(jìn)行對(duì)比時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，ESL結(jié)果在多個(gè)方面都可以媲美手動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案，唯有時(shí)延明顯例外。此外，ESL方案還能顯著縮短開發(fā)時(shí)間。

我們的關(guān)鍵目標(biāo)是：

• 在不修改或者盡可能少改動(dòng)的情況下，評(píng)估現(xiàn)有（C/C++）代碼向硬件移植的工作量/質(zhì)量；

• 進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)空間探索（ESL與手工編碼IP）；

• 研究生產(chǎn)力權(quán)衡因素（效率與設(shè)計(jì)時(shí)間）；

• 檢查可移植性問(wèn)題（移植到其它FPGA或ASIC上）；

• 衡量ESL工具對(duì)硬件、軟件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的易用性。

基于VIVADO的方法

我們采用賽靈思Vivado HLS 2012.4 （ISE® 14.4）設(shè)計(jì)工具和基于Zynq SoC的ZedBoard（XC7z20clg484-1）對(duì)所提出的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。我們從針對(duì)掃描應(yīng)用的現(xiàn)行圖像處理FPGA-SoC合作項(xiàng)目中的 10個(gè)IP核中選出兩個(gè)。所選IP均為項(xiàng)目中最復(fù)雜的IP核。這些IP采用Verilog優(yōu)化設(shè)計(jì)并在賽靈思競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的40nm產(chǎn)品上進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證，可針對(duì) 業(yè)界合作伙伴Sagemcom公司的掃描產(chǎn)品執(zhí)行特定的圖像處理功能。

圖1概括說(shuō)明了使用賽靈思工具的實(shí)驗(yàn)流程。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模覀儚乃惴ㄗ畛醯腃源代碼開始。值得注意的是，該代碼通過(guò)傳統(tǒng)方式針對(duì)PC進(jìn)行編寫，而且就嵌入式系統(tǒng)高效移植而言并非最佳代碼。

圖1 – 針對(duì)Zynq Z20 SoC的硬件測(cè)試系統(tǒng)
 

我們的目標(biāo)是，理想情況下對(duì)代碼進(jìn)行最少修改甚至不修改。盡管Vivado HLS可支持ANSI C/C++，我們?nèi)孕栳槍?duì)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器分配和復(fù)雜結(jié)構(gòu)體指針等問(wèn)題做一些基本調(diào)整。根據(jù)賽靈思技術(shù)文檔的建議，我們?cè)跊](méi)有觸及核心編碼的情況下完成了這一任 務(wù)。我們?cè)诤瘮?shù)自變量上創(chuàng)建AXI4主/從（AXI-Lite）接口，并利用各種約束條件在Vivado HLS中處理代碼。我們使用指令來(lái)指定這些約束條件，以便創(chuàng)建不同的解決方案，并利用ZedBoard在Zynq Z20 SoC上對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

為便于比較，我們必須設(shè)定涉及時(shí)延的唯一約束條件。我們必須假定：在相同的頻率下，Zynq SoC的AXI4接口與手工編碼設(shè)計(jì)中競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手FPGA總線的時(shí)延具有可比較性。將RTL代碼（IP核）移植到賽靈思環(huán)境非常簡(jiǎn)單直觀，但對(duì)接口進(jìn)行重新 設(shè)計(jì)則超出了我們的工作范圍。

在開發(fā)板上進(jìn)行原型設(shè)計(jì)之前，我們利用Vivado HLS工具的內(nèi)置SystemC協(xié)同仿真功能來(lái)驗(yàn)證生成的硬件。事實(shí)上Vivado HLS也為IP生成軟件驅(qū)動(dòng)器（訪問(wèn)函數(shù)），這會(huì)進(jìn)一步加快IP驗(yàn)證與調(diào)試的速度。

我們使用Zynq器件中ARM Cortex™-A9 MPCore的666.7 MHz Core 0以及一個(gè)533.3 MHz 的DDR3接口，并通過(guò)AXI4定時(shí)器進(jìn)行時(shí)延測(cè)量。圖2給出了FPGA原型設(shè)計(jì)所采用的驗(yàn)證流程。首先在ARM上利用初始的C源代碼對(duì)圖像進(jìn)行處理，以 獲得“黃金”參考結(jié)果。然后利用IP處理相同的圖像，將它們進(jìn)行比較并驗(yàn)證結(jié)果。

作為獨(dú)立項(xiàng)目，我們還評(píng)估了100-MHz MicroBlaze™處理器的兩個(gè)IP模塊的時(shí)延測(cè)量值。該處理器帶有8+8KB I+D高速緩存，以及通過(guò)AXI4總線與DDR3直接相連的硬件乘法器和除法器單元。我們將MicroBlaze上兩個(gè)IP核的時(shí)延測(cè)量值作為參考值，用 以比較由Vivado HLS生成IP和ARM處理器所實(shí)現(xiàn)的加速效果。這種加速性能為FPGA設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了可觀的軟件計(jì)算能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)在我們來(lái)具體看一下兩個(gè)IP核的設(shè)計(jì)空間探索問(wèn)題，并利用HLS工具將它們標(biāo)記為IP1和IP2。我們已經(jīng)詳細(xì)概述了IP1 的實(shí)驗(yàn)，但為了簡(jiǎn)便起見，對(duì)于IP2，我們只給出其結(jié)果。最后，我們還將針對(duì)賽靈思專家就賽靈思ESL工具中AXI4 “Burst”實(shí)現(xiàn)效率問(wèn)題所給出的反饋意見進(jìn)行討論。

表1和表2按步驟（表示為S1、S2等）列出了IP1設(shè)計(jì)空間探索的細(xì)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)中，我們采用了256 x 256像素的灰度測(cè)試圖。需要注意的是時(shí)鐘周期、時(shí)延和功耗數(shù)據(jù)僅為在對(duì)多次實(shí)現(xiàn)結(jié)果交叉分析進(jìn)行快速綜合后，通過(guò)工具給出的參考值。正如您在FPGA原 型設(shè)計(jì)結(jié)果（表2）的討論中所看到的，最終實(shí)現(xiàn)后，實(shí)際值會(huì)發(fā)生顯著變化。

表1 – 針對(duì)IP1的HLS探索結(jié)果
*工具的功耗值用于迭代比較，因此沒(méi)有單位
 

表2 – 針對(duì)IP1探索的FPGA原型設(shè)計(jì)結(jié)果
*參考值，請(qǐng)參閱方法章節(jié)
**從XPower分析器得到的動(dòng)態(tài)功耗

S1：源代碼轉(zhuǎn)換

在第一步中，我們首先編譯沒(méi)有最優(yōu)約束條件的代碼（除了前面所述的必須修改項(xiàng)）。從表1中可以看到，硬件占用了大量資源。當(dāng)我們根據(jù)Vivado HLS快速綜合報(bào)告和GUI設(shè)計(jì)查看器工具分析資源分配詳情時(shí)，可以很清楚地看出算法中的幾個(gè)除法運(yùn)算占用了絕大部分資源。與乘法器不同，在FPGA中沒(méi) 有用于除法的硬模塊，因此除法運(yùn)算會(huì)占用大量邏輯。因此，我們首先要解決的就是優(yōu)化這個(gè)問(wèn)題。

S2：S1結(jié)合共享除法器

直觀地說(shuō)，對(duì)于如何減少除法硬件資源消耗問(wèn)題，我們首先想到的是采用資源共享的方式來(lái)解決，但這同時(shí)也會(huì)降低性能。不幸的是，在我們所使用的工具版 本中很難甚至是不太可能直接將定制約束條件應(yīng)用于運(yùn)算符。不過(guò)解決方法也很簡(jiǎn)單，我們可以用函數(shù)來(lái)替代除法運(yùn)算（/），這樣就可將約束條件應(yīng)用于函數(shù)。在 默認(rèn)情況下，此工具可將函數(shù)作為內(nèi)聯(lián)函數(shù)來(lái)使用，可為每個(gè)除法運(yùn)算生成完整的除法硬件。我們?cè)诔ê瘮?shù)上應(yīng)用“Allocation”指令，運(yùn)用不同的值 來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并監(jiān)控其對(duì)時(shí)延的影響。最后我們選擇了一個(gè)共享除法硬件。正如您在表1中所看到的，這種方式顯著減少了查找表（LUT）、觸發(fā)器（FF）和其 它邏輯資源的使用量，而且對(duì)時(shí)延的影響也可以忽略不計(jì)，完全達(dá)到了雙贏效果。

S3：S2結(jié)合除數(shù)到乘法的轉(zhuǎn)換

接下來(lái)我們選擇將除法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為乘法。這種轉(zhuǎn)換是可行的，因?yàn)樵搼?yīng)用使用的是常數(shù)值除法。我們這樣做的目的有兩方面：首先，盡管已決定采用一個(gè)共享 除法器來(lái)完成所有的除法運(yùn)算，但除法硬件依然比較昂貴（約2000個(gè)LUT和觸發(fā)器）；其次，這種共享除法器完成除法運(yùn)算的速度相當(dāng)緩慢，需要34個(gè)周 期，而且我們所使用的賽靈思工具僅支持HLS庫(kù)中的一種除法器類型。但在接下來(lái)的步驟中，我們可以看到實(shí)現(xiàn)乘法則有多種選擇。

因此，在本步驟中，我們將除法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為乘法運(yùn)算（我們通過(guò)使用C語(yǔ)言的#ifdef指令來(lái)保持代碼的可移植性）。通過(guò)AXI-Lite從寄存器將 近似值作為函數(shù)參數(shù)提供。這就是在此步驟中表1能夠顯示性能和資源使用量得到顯著改善的原因，但乘法運(yùn)算量的加大必須采用更多DSP。

S4：S3結(jié)合緩沖存儲(chǔ)器分區(qū)

源算法采用統(tǒng)一布置在存儲(chǔ)器分配（malloc）模塊中的多個(gè)內(nèi)存緩沖器（8位、16位和32位）。在準(zhǔn)備好算法Vivado HLS這一轉(zhuǎn)換初始階段（圖1）中 ，存儲(chǔ)器模塊會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部片上存儲(chǔ)器（Block RAM）。

盡管對(duì)于共享外部存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)采用統(tǒng)一的存儲(chǔ)器分配模塊是一種比較普遍的選擇，但是當(dāng)使用內(nèi)部片上存儲(chǔ)器時(shí)，更好的做法則是利用存儲(chǔ)器分區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)更快 的吞吐量。因此在這個(gè)步驟中，我們將比較大的存儲(chǔ)器模塊分成若干獨(dú)立的小存儲(chǔ)器（8位、16位和32位）。表1顯示的結(jié)果突出了明顯的性能改善效果，而且 分區(qū)也只是少量增加了BRAM數(shù)量（表2）。此外，這種技術(shù)還大幅減少了邏輯資源占用，原因可能是用于存儲(chǔ)器訪問(wèn)的控制邏輯得到了簡(jiǎn)化。

S5：S4結(jié)合共享32/64位帶符號(hào)或無(wú)符號(hào)乘法器

在這個(gè)步驟中，我們受S2中共享除法器實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，使用共享資源對(duì)DSP模塊進(jìn)行了優(yōu)化。首先，我們使用設(shè)計(jì)查看器實(shí)用工具詳細(xì)分析生成的硬件，并 將其與C源代碼進(jìn)行相互參考。分析結(jié)果顯示在原始模式下硬件正在使用的26個(gè)不同種類的乘法器單元，可被分為無(wú)符號(hào)16/32/64位乘法和32位帶符號(hào) 乘法。與S2實(shí)驗(yàn)一樣，我們構(gòu)建了一個(gè)由32位帶符號(hào)、32位無(wú)符號(hào)和64位無(wú)符號(hào)乘法器（用函數(shù)替代“*”運(yùn)算）組成的系統(tǒng)。然后，我們應(yīng)用了一個(gè)分配 約束條件，即只用一個(gè)單元來(lái)完成這三種截然不同的運(yùn)算。表1顯示盡管性能有些損失，但是DSP的使用量顯著減少。這一結(jié)果激發(fā)我們進(jìn)一步研究智能共享方 案。

S6：S5結(jié)合智能乘法共享

為減少由乘法器共享帶來(lái)的性能損失，需要以更加巧妙的方式對(duì)其加以利用。我們創(chuàng)建了兩個(gè)附加乘法器類型，即16位無(wú)符號(hào)乘法器和具有64位返回值的 32位無(wú)符號(hào)乘法器。我們以相互獨(dú)立的方式使用這些乘法器并改變它們的數(shù)量，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后得出的最終解決方案包含兩個(gè)無(wú)符號(hào)64位乘法器、兩個(gè)無(wú)符號(hào) 32位乘法器、一個(gè)帶符號(hào)32位乘法器、一個(gè)無(wú)符號(hào)16位乘法器以及一個(gè)獨(dú)立的帶64位返回值的無(wú)符號(hào)32位乘法器。這種技術(shù)可使性能得到小幅改善（如表 1所示），但是也會(huì)小幅增加DSP的使用量。

S7：S6結(jié)合乘法器時(shí)延實(shí)驗(yàn)（組合乘法器）

在乘法器優(yōu)化的最后階段，我們完成了兩次用以改變乘法器時(shí)延值的實(shí)驗(yàn)。默認(rèn)情況下，Vivado HLS所使用的乘法器的延遲時(shí)間介于2至5個(gè)時(shí)鐘周期之間。硬IP核中的乘法器要么是單時(shí)鐘周期要么是組合乘法器。在這個(gè)步驟中，我們使用“資源”指令并 從庫(kù)中選擇相應(yīng)的組合乘法器，將乘法器的時(shí)延設(shè)定為0。結(jié)果如表1中所示，延遲時(shí)間得到了改善。然而，從時(shí)序的角度來(lái)看設(shè)計(jì)明顯變差了許多，因此FPGA 設(shè)計(jì)的時(shí)鐘速度減慢可能會(huì)將性能提高變?yōu)榻档托阅堋?/p>

S8：S6結(jié)合乘法器時(shí)延實(shí)驗(yàn)（1時(shí)鐘周期乘法器）

在這個(gè)步驟中，我們不使用組合乘法器，而是從庫(kù)中選擇一個(gè)單時(shí)鐘周期乘法器。結(jié)果如表1所示。我們可以看到時(shí)延略有增加，但出人意料的是時(shí)鐘周期顯著增大，從而導(dǎo)致硬件變慢。

S9、S10、S11：Burst訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)

到目前為止，所有探索步驟對(duì)C代碼功能方面的知識(shí)要求很少或者根本不要求。在最后的實(shí)驗(yàn)中，我們探索了Burst訪問(wèn)。對(duì)基于共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)的IP 來(lái)說(shuō)Burst訪問(wèn)幾乎是必不可少的，因?yàn)橛糜谛K數(shù)據(jù)或隨機(jī)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的總線具有較高的時(shí)延。為此，我們分析了C代碼的算法結(jié)構(gòu)，以便探究實(shí)現(xiàn)Burst 訪問(wèn)的可能性，因?yàn)閺囊话愕能浖嵌葋?lái)說(shuō)根本就沒(méi)有Burst訪問(wèn)這一概念。但是值得格外關(guān)注的是，即便是在Burst訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)中，我們也從未改變過(guò)軟件 的代碼結(jié)構(gòu)。

Burst訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)步驟執(zhí)行。首先我們使用轉(zhuǎn)儲(chǔ)方法（盡管并不實(shí)用，但不失為獲得技術(shù)信息的良好途徑），此時(shí)整個(gè)圖像被快速送到內(nèi)部存儲(chǔ)器緩 沖器中，并在實(shí)施最后快速輸出完整結(jié)果。通過(guò)使用較小的圖像并確保FPGA中有充足的片上存儲(chǔ)器，就可以很輕松做到這點(diǎn)。我們將此迭代步驟稱為 “superburst”(S9)。

在第二階段，我們?cè)诖_保不改變?cè)创a結(jié)構(gòu)的限制條件下實(shí)現(xiàn)了智能的交互式Burst（S10，S11）。結(jié)果如表1中所示。我們根據(jù)賽靈思提供的實(shí) 例教程，利用標(biāo)準(zhǔn)的“memcpy”函數(shù)在C語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)了Burst功能。遺憾的是，當(dāng)在代碼中插入memcpy 函數(shù)時(shí)無(wú)法看到時(shí)延值。但FPGA的實(shí)現(xiàn)結(jié)果 （表 2）可以說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所獲得的性能。

所選步驟的FPGA原型設(shè)計(jì)

使用ESL工具的最大優(yōu)勢(shì)之一是能夠?qū)崿F(xiàn)快速的設(shè)計(jì)空間探索。我們可在幾分鐘之內(nèi)評(píng)估以上列出的所有探索步驟和表1所示結(jié)果，從而避免針對(duì)少數(shù)最終 所選迭代執(zhí)行冗長(zhǎng)的FPGA實(shí)現(xiàn)階段。表2給出了表1中部分所選步驟在Zynq Z20 SoC上的最終實(shí)現(xiàn)結(jié)果；同時(shí)也給出了在MicroBlaze處理器上（作為參考）和ARM Cortex-A9上實(shí)現(xiàn)初始源代碼所獲得的等效結(jié)果（時(shí)延）, 以體現(xiàn)出Zynq SoC帶給FPGA設(shè)計(jì)人員的強(qiáng)大計(jì)算能力。該表還給出了由賽靈思XPower分析器計(jì)算得出的動(dòng)態(tài)功耗估計(jì)值。

我們利用賽靈思工具將最優(yōu)手工編碼IP轉(zhuǎn)化為RTL，從而獲得手工編碼IP在Zynq SoC上的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。我們不得不使用之前實(shí)驗(yàn)得到的時(shí)延測(cè)量結(jié)果并將競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的FPGA作為參考，因?yàn)橄駻XI4總線進(jìn)行移植超出了我們的實(shí)驗(yàn)范圍。這進(jìn) 一步凸顯了HLS工具的潛力，即可幫助設(shè)計(jì)人員更加輕松地向多種協(xié)議移植。

如果我們將表2與表1中的結(jié)果進(jìn)行比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)有意思的現(xiàn)象。首先，ESL的快速綜合會(huì)得出比實(shí)際情況（尤其是對(duì)于LUT和觸發(fā)器）更好的估計(jì)結(jié)果；對(duì)存儲(chǔ)器和DSP而言，綜合器有時(shí)可顯著改變資源數(shù)量以進(jìn)行優(yōu)化。

其次，時(shí)序收斂會(huì)成為最后實(shí)現(xiàn)階段的大問(wèn)題。我們可以看到FPGA實(shí)現(xiàn)后獲得的頻率與HLS估計(jì)結(jié)果相比發(fā)生了顯著變化。最后，令人驚訝的是，即便 對(duì)于Burst訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)， HLS預(yù)計(jì)值與手工編碼IP得到的時(shí)延值也存在明顯差別。這也使我們對(duì)HLS工具生成的DMA的質(zhì)量更加感興趣。

新的IP，相似的結(jié)果

我們以類似方式來(lái)研究第二個(gè)IP（即IP2）。根據(jù)之前對(duì)IP1的深入討論，表3和表4中所列結(jié)果也就不言自明。值得注意的一點(diǎn)是表3中的步驟8。 與IP1的情況一樣（詳見S2和S3討論內(nèi)容），無(wú)論從資源使用還是時(shí)延的角度來(lái)說(shuō)，除法器都是高消耗器件。與IP1不同的是，IP2使用實(shí)數(shù)除法運(yùn)算， 因此除法器不能移除。但遺憾的是，當(dāng)前版本的ESL工具只有一種除法器，其延遲時(shí)間為34個(gè)時(shí)鐘周期。S8表明，如果使用時(shí)延為一個(gè)時(shí)鐘周期的除法器（就 像手工編碼IP中提供的除法器），理論上其可實(shí)現(xiàn)30%的性能提升。表4顯示了所選步驟的FPGA原型設(shè)計(jì)結(jié)果。

VIVADO HLS的DMA/BURST效率問(wèn)題

通過(guò)比較手工編碼IP和ESL技術(shù)得到的結(jié)果可得出一些結(jié)論。盡管研究嵌入式系統(tǒng)所用的初始源代碼（幾乎不做修改）并非以最佳方式編寫，但ESL工 具所提供的結(jié)果仍可以在資源利用率方面與經(jīng)過(guò)優(yōu)化的手工編碼IP相媲美。ESL與手工編碼IP在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上的顯著區(qū)別在于時(shí)延，后者得到的時(shí)延性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn) 優(yōu)于前者。

針對(duì)這一問(wèn)題，我們觀察到手工編碼IP與ESL IP在構(gòu)建方式上存在較大差異，（這也是IP2的資源消耗量存在較大差異的原因）。由于源代碼類型不同，在ESL IP中只有一條用于輸入和輸出的數(shù)據(jù)總線，相比之下，在手工編碼IP中則有兩條。此外，手工編碼IP中的FIFO更適合處理Burst訪問(wèn)。而ESL IP則由于其源代碼的固有特性，很難建立一個(gè)理想高效的Burst處理機(jī)制，因而只能通過(guò)緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)Burst。由于ESL硬件需要根據(jù)代碼結(jié)構(gòu)將這些 存儲(chǔ)器作為任務(wù)緩沖器和Burst緩沖器，因此ESL方案會(huì)影響B(tài)RAM的使用。此外，Burst是根據(jù)賽靈思AXI4主接口教程，通過(guò)C語(yǔ)言的 memcpy函數(shù)來(lái)完成的。

我們還與賽靈思專家交換了意見，他們建議使用外部DMA來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能。因?yàn)榫臀覀兯褂玫腣ivado HLS版本而言，其生成的AXI4主接口尚處于測(cè)試階段，但會(huì)在未來(lái)得到升級(jí)。這些因素可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)延值的顯著差異，同時(shí)也是未來(lái)實(shí)驗(yàn)研究的良好出發(fā)點(diǎn)。

生產(chǎn)力與效率

這次的具體實(shí)驗(yàn)工作揭示出ESL設(shè)計(jì)的幾個(gè)重要方面，同時(shí)也清除了一些誤區(qū)。ESL工具自推出以來(lái)已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，現(xiàn)可支持ANSI C/C++，并能給出具有競(jìng)爭(zhēng)力結(jié)果，還可依照硬件/系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐方法，采用約束指令的形式開發(fā)出多種設(shè)計(jì)方案（不僅限于過(guò)去的循環(huán)開發(fā)）。

事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)用ESL獲得的所有結(jié)果（延遲時(shí)間除外）都可達(dá)到最佳值。此外，若通過(guò)工具的高級(jí)特性實(shí)現(xiàn)精確位類型（而非實(shí)驗(yàn)中使用的一般C語(yǔ)言類型），還能進(jìn)一步優(yōu)化資源使用，即類似于代碼部分重寫所取得的效果。

研究工作還使我們了解到生產(chǎn)力與效率間的權(quán)衡問(wèn)題。圖3給出了IP模塊開發(fā)時(shí)間（包括設(shè)計(jì)、軟件、FPGA實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證等）的對(duì)比情況。ESL設(shè)計(jì)能 快速轉(zhuǎn)化為解決方案，尤其是對(duì)于驗(yàn)證工作，其所獲得的結(jié)果不亞于最佳實(shí)現(xiàn)方案。值得注意的是設(shè)計(jì)與驗(yàn)證時(shí)間高度依賴于設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平。因此，手工編碼 設(shè)計(jì)與ESL設(shè)計(jì)都由同一組人員完成。

圖3對(duì)流程的實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行了公正的比較?？紤]到設(shè)計(jì)人員對(duì)IP設(shè)計(jì)與集成的傳統(tǒng)RTL方法更加熟悉，而對(duì)ESL工具比較陌生，因此從長(zhǎng)期來(lái)看一旦這種新工具被人們所熟悉，其開發(fā)設(shè)計(jì)所需時(shí)間很可能會(huì)顯著縮短。

ESL的未來(lái)發(fā)展？

從技術(shù)和商業(yè)角度來(lái)看，應(yīng)該會(huì)制定一些針對(duì)ESL工具約束結(jié)構(gòu)的EDA標(biāo)準(zhǔn)，以便輕松地向其它FPGA或ASIC移植設(shè)計(jì)（這種靈活性是RTL工具 所固有的，從原則上講，采用ESL工具應(yīng)該更容易做到這一點(diǎn)）。ESL工具供應(yīng)商應(yīng)該像對(duì)待RTL工具一樣，提高ESL工具的質(zhì)量和效果。

這是一個(gè)復(fù)雜、需要長(zhǎng)時(shí)間探討的論題，我們不再在這篇短文中對(duì)以下問(wèn)題做出詳細(xì)解答：軟件設(shè)計(jì)人員是否能利用ESL工具對(duì)FPGA進(jìn)行編程？ESL 是否將取代RTL設(shè)計(jì)/工作？誰(shuí)是ESL工具的最大受益者？但從本次實(shí)驗(yàn)所獲得的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，我們認(rèn)為ESL工具可以讓所有相關(guān)人員受益，尤其是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人 員。

對(duì)硬件設(shè)計(jì)人員而言，這種工具在創(chuàng)建或評(píng)估設(shè)計(jì)片段時(shí)非常有效，其有助于快速構(gòu)建可支持總線接口的測(cè)試用基礎(chǔ)設(shè)施。嘗試設(shè)計(jì)硬件的軟件設(shè)計(jì)人員也是 ESL工具的主要受眾之一。盡管ESL工具為此已取得了很大進(jìn)步，但仍有很長(zhǎng)的路要走。例如在我們的項(xiàng)目中， ELS工具為軟件設(shè)計(jì)人員將硬件復(fù)雜性降到了非常低的程度。然而，當(dāng)涉及到約束和優(yōu)化工作時(shí)，要實(shí)現(xiàn)好的設(shè)計(jì)仍需要從硬件方面進(jìn)行考慮。這個(gè)問(wèn)題將隨著 ESL工具的進(jìn)一步發(fā)展而得到逐步好轉(zhuǎn)。

隨著軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)在SoC領(lǐng)域中不斷推廣采用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也變得越來(lái)越普遍，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，ESL工具可能形成一種雙贏局面。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可在多個(gè)層面上探索這些工具。

在硬件方面，之所以選擇賽靈思28nm 7系列FPGA中的Zynq-7000 All Programmable SoC，關(guān)鍵原因之一就是要探究將ARM硬核與FPGA邏輯集成在同一芯片上到底有多大潛力。正如我們?cè)趯?shí)驗(yàn)結(jié)果中所看到的， ARM雙核為FPGA設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了前所未有的計(jì)算性能。而事實(shí)上，Zynq SoC為嵌入式設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了一款微型超級(jí)計(jì)算機(jī)，而且可利用緊密集成的FPGA架構(gòu)對(duì)其進(jìn)行定制。

鳴謝

我們感謝產(chǎn)業(yè)合作伙伴Sagemcom為我們提供的資金支持與技術(shù)協(xié)助。同時(shí)，我們還要感謝賽靈思?xì)W洲公司的專家Kester Aernoudt和Olivier Tremois為本次項(xiàng)目提供及時(shí)的技術(shù)指導(dǎo)。

參考資料

1. G. Martin，G. Smith，“高層次綜合：過(guò)去、現(xiàn)在及未來(lái)”，IEEE 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與測(cè)試，2009年7/8月

2. BDTI 報(bào)告，“賽靈思FPGA的高層次綜合工具”，2010年

3. BDTI報(bào)告，“AutoESL AutoPilot高層次綜合工具”，2010年