利用C語言對FPGA計算解決方案進行編程方法介紹

硬件設計者已經開始在高性能DSP的設計中采用FPGA技術，因為它可以提供比基于PC或者單片機的解決方法快上10-100倍的運算量。以前，對硬件設計不熟悉的軟件開發者們很難發揮出FPGA的優勢，而如今基于C語言的方法可以讓軟件開發者毫不費力的將FPGA的優勢發揮得淋漓盡致。這些基于C語言的開發工具可以比基于HDL語言的硬件設計更節省設計時間，同時不需要太多的硬件知識。 由于具有這些優勢，FPGA技術不僅可使這些器件作為I/O器件的前端，FPGA還可實現大量的高帶寬和運算密集型應用的實時處理。此外，FPGA還可很緊密地與板上存儲器結合，并在一塊電路板上集成多個器件。更好的是，FPGA電路板可通過新興的串口通訊標準進行通訊，如Rapid I/O或者PCIX。這些最新技術可讓基于FPGA的系統比現有的多CPU和DSP系統的性價比高出一個數量級。因此，在用CPU和DSP解決高帶寬和算法密集問題的場合中，例如醫療成像、工業應用以及軍用聲納和雷達等，經常使用FPGA。設計者利用這些新型的基于C語言的開發工具來開發DSP(在一塊PCI板上安裝單塊或多塊FPGA處理器)，就可以實現前面提到的改進性能以及更短的面世時間。這篇文章向設計者展示了如何利用C語言工具在基于FPGA的系統中實現信號處理，并一步一步向開發者說明在多FPGA系統中實現算法密集型信號處理程序的過程。利用C語言對FPGA計算解決方案進行編程，能將把程序的執行時間從12分鐘減少到僅為2秒。

1 通過C語言與硬件進行接口

假設您在設計一個算法密集的信號處理程序，例如分析上千公里長公路的裂縫。這種應用需要用到正/逆向霍夫變換的算法，該算法還可對航拍圖片中的河流和街道以及半導體表面的瑕疵進行定位。如果你正使用基于奔騰4和Windows XP的PC、帶有多個FPGA的PCI板(例如Tsunami板)、C語言開發環境和Handel-C(Celoxica開發環境)來進行設計，并假設你對HDL硬件語言所知甚少，卻熟悉基于FPGA設計的一些基礎知識。設計過程要從C語言代碼的編寫開始，然后將代碼轉化成Handel-C，并在PC上進行仿真，最終在多FPGA處理器上運行測試。

一開始，先要決定C語言代碼對哪些算法進行加速。一個好的剖析工具，例如Intel的VTune Performance Analyzer，可以幫你發現消耗過多時鐘周期的代碼段。在上述的信號處理應用中，完全由CPU完成算法要花費12分鐘的時間，經過剖析發現時間幾乎是消耗在各種嵌套的循環中，這清楚地顯示了哪些代碼是由FPGA加速器加速的。經過加速過的代碼需要經過PC上的PCI總線輸入和輸出。由此可知I/O數據的速度在PCI總線的速度范圍之內??從70到200Mbps。接下來的挑戰是創建FPGA設計以加速代碼的功能。由于FPGA可以同時執行上千條指令，訪問上百個內存塊，所以“管道”和“并行處理”技術都可被用來加速功能。利用管道技術，指令路徑是有順序的，即當一些算法正在一部分數據“管道”中被執行時，另一些算法將在同一“管道”的后面部分被執行，這個過程與自動生產線很相似。具有長時鐘的程序可以通過并行處理來顯著降低運行時間(圖2)。