如何采用fpga協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)算法加速

1、如何采用如何采用FPGA協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)算法加速協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)算法加速當(dāng)今的設(shè)計(jì)工程師受到面積、功率和成本的約束，不能采用GHz級(jí)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)計(jì)。在嵌入式系統(tǒng)中，通常是由相對(duì)數(shù)量較少的算法決定最大的運(yùn)算需求。使用設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具可以將這些算法快速轉(zhuǎn)換到硬件協(xié)處理器中。然后，協(xié)處理器可以有效地連接到處理器，產(chǎn)生“GHz”級(jí)的性能。本文主要研究了代碼加速和代碼轉(zhuǎn)換到硬件協(xié)處理器的方法。我們還分析了通過一個(gè)涉及到基于輔助處理器單元(APU)的

2、實(shí)際圖像顯示案例的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)均衡決策的過程。該設(shè)計(jì)使用了在一個(gè)平臺(tái)FPGA中實(shí)現(xiàn)的一個(gè)嵌入式PowerPC。協(xié)處理器的意義協(xié)處理器的意義協(xié)處理器是一個(gè)處理單元，該處理單元與一個(gè)主處理單元一起使用來承擔(dān)通常由主處理單元執(zhí)行的運(yùn)算。通常，協(xié)處理器功能在硬件中實(shí)現(xiàn)以替代幾種軟件指令。通過減少多種代碼指令為單一指令，以及在硬件中直接實(shí)現(xiàn)指令的方式，從而實(shí)現(xiàn)代碼加速。最常用的協(xié)處理器是浮點(diǎn)單元(FPU)，這是與CPU緊密結(jié)合的唯一普通協(xié)處理器。沒有

3、通用的協(xié)處理器庫，即使是存在這樣的庫，將依然難以簡單地將協(xié)處理器與一個(gè)CPU(例如Pentium4)連接。XilinxVirtex4FXFPGA擁有一個(gè)或兩個(gè)PowerPC，每個(gè)都有一個(gè)APU接口。通過在FPGA中嵌入一個(gè)處理器，現(xiàn)在就有機(jī)會(huì)在單芯片上實(shí)現(xiàn)完整的處理系統(tǒng)。帶APU接口的PowerPC使得在FPGA中得以實(shí)現(xiàn)一個(gè)緊密結(jié)合的協(xié)處理器。因?yàn)轭l率的需求以及管腳數(shù)量的限制，采用外部協(xié)處理器不大可行。因此可以創(chuàng)建一個(gè)直接連接到Pow

4、erPC的專用應(yīng)用協(xié)處理器，大大地提高了軟件速度。因?yàn)镕PGA是可編程的，你可以快速地開發(fā)和測試連接到CPU的協(xié)處理器解決方案。協(xié)處理器連接模型協(xié)處理器連接模型協(xié)處理器有三種基本的形式：與CPU總線連接的、與IO連接的和指令流水線連接(InstructionPipelineConnection)。此外，還存在一些這些形式的混合形式。1.CPU總線連接處理器總線連接加速器需要CPU在總線上移動(dòng)數(shù)據(jù)以及發(fā)送命令。通常，單個(gè)數(shù)據(jù)處理就需要很多

5、的處理器時(shí)鐘周期。因?yàn)榭偩€仲裁以及總線驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘是處理器時(shí)鐘的分頻，所以會(huì)降低數(shù)據(jù)處理速度。一個(gè)與總線連接的加速器可FPGA作為一種可重復(fù)編程的單元，允許你在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行編程并對(duì)其進(jìn)行測試。如果你發(fā)現(xiàn)了一個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，你可以立即對(duì)其進(jìn)行重新編程設(shè)計(jì)。FPGA還允許你實(shí)現(xiàn)硬件運(yùn)算功能，而這在以前的實(shí)現(xiàn)成本是很高的。CPU流水線與FPGA邏輯之間緊密結(jié)合，這樣就可以創(chuàng)建高性能軟件加速器。圖1的模塊框圖顯示了PowerPC、集成的APU控制器

6、以及一個(gè)與之相連的協(xié)處理器。來自高速緩存或存儲(chǔ)器中的指令可以立即出現(xiàn)在CPU解碼器和APU控制器上，如果CPU能識(shí)別指令，則運(yùn)行這些指令。否則，APU控制器或用戶創(chuàng)建的協(xié)處理器可以對(duì)指令做出應(yīng)答并執(zhí)行指令。一個(gè)或者兩個(gè)操作數(shù)被傳遞到協(xié)處理器，并返回一個(gè)結(jié)果或狀態(tài)。APU接口還支持用一個(gè)指令發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)單元。數(shù)據(jù)單元的大小范圍從一個(gè)字節(jié)到4個(gè)32位的字。圖1：PowerPC、集成的APU控制器和協(xié)處理器通過一個(gè)結(jié)構(gòu)協(xié)處理器總線(FCB)，

7、可以將一個(gè)或多個(gè)協(xié)處理器連接到APU接口。連接到總線的協(xié)處理器范圍包括現(xiàn)存的內(nèi)核(例如FPU)到用戶創(chuàng)建的協(xié)處理器。一個(gè)協(xié)處理器可以連接到FCB用于控制和狀態(tài)運(yùn)算，并連接到一個(gè)處理器總線，實(shí)現(xiàn)直接存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)塊訪問以及DMA數(shù)據(jù)傳遞。一種簡化的連接方案，例如FSL，也可以在FCB和協(xié)處理器之間使用，在犧牲一定性能的條件下實(shí)現(xiàn)FIFO數(shù)據(jù)和控制通信。為展示指令流水線連接加速器的性能優(yōu)勢，我們采用一個(gè)處理器總線連接FPU首先實(shí)現(xiàn)了一個(gè)設(shè)計(jì)，然