FPGA 101：用Vivado HLS為軟件提速

在編寫軟件時，您有沒有遇到過無論怎么努力編碼，軟件都不能按您期望的速度運(yùn)行?我遇到過。您有沒有想過，“有沒有什么簡單而且成本不高的方法可將一些代碼輸入多個定制處理器或定制硬件?”畢竟，您的應(yīng)用只是眾多應(yīng)用中的一個，而且創(chuàng)建定制硬件需要花費(fèi)時間和成本。是不是這樣?

最近聽說了賽靈思的高層次綜合工具Vivado®HLS后，我開始重新思考這一問題。高層次綜合工具與Zynq®-7000 All Programmable SoC的結(jié)合為設(shè)計開辟了新的可能性，其中Zynq®-7000 All Programmable SoC結(jié)合了帶有FPGA架構(gòu)的雙核ARM®CortexTM-A9處理器。這類工具可以用C語言，C++語言或SystemC源代碼創(chuàng)建高度優(yōu)化的RTL。近年來，出現(xiàn)很多這項技術(shù)的提供商，且其采用率也不斷提高。

如果我只用Vivado HLS便能完成要求更高的計算，那么將那些慢速代碼遷移到硬件中會有多難?畢竟我經(jīng)常用C++語言編寫代碼，而Vivado HLS將C/C++語言作為輸入語言。ARM處理器內(nèi)核意味著我可以在常規(guī)環(huán)境下運(yùn)行多數(shù)軟件。事實(shí)上賽靈思還提供了一款軟件開發(fā)工具(SDK)以及PetaLinux來幫您實(shí)現(xiàn)這一目的。

架構(gòu)問題

從軟件角度思考這一轉(zhuǎn)變，我開始更加擔(dān)心軟件接口問題。畢竟，HLS創(chuàng)建的硬件專注于處理硬件接口。我需要一些易于訪問的工具(如協(xié)處理器或硬件加速器)來加快軟件運(yùn)行速度。而且，我不想編寫新的編譯器。為了方便與軟件的其它部分交換數(shù)據(jù)，這個接口應(yīng)該類似于簡單的存儲單元，我們可以在其中輸入信息并稍后讀取結(jié)果。

然后我有了新的發(fā)現(xiàn)。Vivado HLS支持以相對較小的努力輕松創(chuàng)建AXI從接口。這讓我開始思考，創(chuàng)建加速器也許沒有那么難。于是，我編碼了一個簡單的實(shí)例來探索這種可能性。探索的結(jié)果讓我驚喜不已。

下面看看我用了什么方法，并思考這種方法所得出的結(jié)果。

在我的實(shí)例中，我選擇了對一系列簡單的矩陣運(yùn)算(如加法和乘法)進(jìn)行建模。我不想將它限制在固定的大小，因此，我必須同時提供輸入陣列及各陣列的尺寸大小。理想的接口會將所有數(shù)值作為函數(shù)的自變量，例如圖1中的代碼。

硬件接口需要用一種簡單的方法將函數(shù)自變量映射到存儲單元。圖2是支持這一映射的存儲器配置。寄存器中保存了有關(guān)矩陣的排列方式以及所需運(yùn)算的信息。指令寄存器將指示執(zhí)行何種運(yùn)算。這樣我便可以將一些簡單的運(yùn)算融合到一個硬件中?？梢杂脿顟B(tài)寄存器來查看是否正在進(jìn)行運(yùn)算或是已經(jīng)成功完成運(yùn)算。此外，器件最好還能提供中斷支持。

回到硬件設(shè)計，我了解到Vivado HLS為陣列自變量留出空間以指定小容量內(nèi)存。這樣，圖3所示函數(shù)便說明了這種函數(shù)性。

假設(shè)能夠綜合AXI從接口，怎樣將它用在軟件上?我將正常編碼環(huán)境假設(shè)為Linux。還好賽靈思提供PetaLinux，而且PetaLinux提供一種叫做用戶I/O器件的機(jī)制。UIO可以用簡單的方法將新硬件映射到用戶內(nèi)存空間，并具備中斷等待能力。這意味著您可以省去編寫器件驅(qū)動程序所耗費(fèi)的的時間和流程。圖4顯示了這個系統(tǒng)。

這種方式當(dāng)然也有缺陷。例如，無法在DMA中使用UIO器件，因此您必須在器件內(nèi)存中構(gòu)建矩陣，并在構(gòu)建完成后手動復(fù)制出來。如果需要，將來可以通過定制器件驅(qū)動程序解決這個問題。

用Vivado HLS綜合硬件

現(xiàn)在回到綜合AXI從接口的話題。它的綜合難度有多大?我發(fā)現(xiàn)這些編碼限制非常合理。除內(nèi)存的動態(tài)分配以外，大多數(shù)C ++語言都可以使用。

畢竟硬件在運(yùn)行過程中不能生產(chǎn)其本身。這限制了標(biāo)準(zhǔn)模板庫(STL)功能的使用，因為這里大量使用了動態(tài)分配。只要數(shù)據(jù)保持靜態(tài)，多數(shù)功能都可以使用。起初這項任務(wù)似乎非常繁重，但我發(fā)現(xiàn)這并不是什么大事。另外，Vivado HLS允許C++類、模板、函數(shù)和運(yùn)算符重載。我的矩陣運(yùn)算可輕易歸入定制矩陣分類。

增加I/O來創(chuàng)建AXI從接口非常簡單。只需增加一些能夠指示包含哪些端口以及使用哪些協(xié)議的編譯指示即可。

只要我不按下所有旋鈕，運(yùn)行這款綜合工具非常簡單。圖5展示了其中各個步驟，在此我不再詳細(xì)解釋。需要就目標(biāo)技術(shù)和時鐘速度對Vivado HLS進(jìn)行一些引導(dǎo)。之后涉及的程序會密切關(guān)注違反政策的報告并研究分析報告以確保Vivado HLS按我所期望的方式運(yùn)行。工具用戶必須對硬件方面有所了解，但有一些技術(shù)課程可以解決這個問題。還存在綜合前后運(yùn)行仿真以檢驗預(yù)期行為的問題。

Vivado IP Integrator讓AXI從接口連接到Zynq SoC硬件變得輕而易舉，并打消了對信號連接錯誤的顧慮。賽靈思甚至擁有我所使用的ZedBoard開發(fā)系統(tǒng)的系統(tǒng)概述，并用IP Integrator導(dǎo)出數(shù)據(jù)用于軟件開發(fā)套件。

清除瓶頸

我對結(jié)果非常滿意，我希望能用這款芯片與工具集的組合做更多事情。我并沒有探索所有的可能性。例如，Vivado HLS還支持AXI主接口。AXI會允許加速器從外部存儲器復(fù)制矩陣(盡管這樣也可能存在安全問題)。不過我強(qiáng)烈建議所有面臨代碼瓶頸的人都能考慮這個工具集。這里提供足夠的培訓(xùn)課程、資源和材料以實(shí)現(xiàn)快速勻變，其中包括Doulos提供的課程、資源和材料。如需了解更多信息，敬請訪問：www.doulos.com。

圖1 – 調(diào)用加速器示例

圖2 – 寄存器匯總表

圖3 – 加速器函數(shù)API