基于FPGA多通道采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文資料

基于FPGA多通道采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文資料,基于,fpga,通道,采樣系統(tǒng),設(shè)計(jì),論文,資料 計(jì)算機(jī)系畢業(yè)設(shè)計(jì) 開題報(bào)告 報(bào)告日期： 年 月 日 姓名： 學(xué)科專業(yè)： 論文題目： 基于單片機(jī)的有線傳呼對(duì)講系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 題目類型： 工程設(shè)計(jì) . 題目來源： 結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際 二、在選題過程中已查閱的文獻(xiàn)資料（列出文獻(xiàn)資料），還做了哪些調(diào)研、準(zhǔn)備工作？ 1. 查閱的文獻(xiàn)資料 [1]羅凡華編..對(duì)講機(jī)原理、使用及維修圖集[M]..北京：人民郵電出版社，1993 [2]尹建華 張惠群 劉魯源 劉迎澍編著..微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M]..北京：高等教育出版社，2002 [3]李學(xué)海編著..EM78單片機(jī)實(shí)用教程—基礎(chǔ)篇[M]..北京：電子工業(yè)出版社，2003 [4]白駒珩 雷曉平編..單片計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用[M]..成都：電子科技大學(xué)出版社，2000 [5]吳玉平譯.. MCS51 Microcontroller Family User’s Manual[M]..北京：電子工業(yè)出版社，1995 [6]揚(yáng)振江，蔡德芳..新型集成電路使用指南與典型應(yīng)用[M]..西安：西安電子科技大學(xué)出版社 [7]謝自美.. 電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測試[M]..武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000 [8]江思敏.. Protel電路設(shè)計(jì)教程[M]..北京：清華出版社，2002. [9]張積東.. 單片機(jī)51/98開發(fā)與應(yīng)用[M]..北京：北京電子工業(yè)出版社, 1994 [10]吳金戊，沈慶陽，郭庭吉.. 8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M]..北京：清華大學(xué)出版社，2002 [11]Control Systems Theory with Engineering Applications Boston.Basel.berlin，2001 [12]肖蕙蕙，傅曉林編..數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]..重慶：重慶大學(xué)出版社，2002 [13]上海中專計(jì)算機(jī)協(xié)作組編..微機(jī)與單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]..上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1995 三、所選課題目前國內(nèi)外科技發(fā)展動(dòng)態(tài)如何？ 自本世紀(jì)80年代 FPGA（Field-Programmable Gate Array 現(xiàn)場可編程門陣列）是近年來廣泛應(yīng)用的超大規(guī)模、超高速的可編程邏輯器件，由于其具有高集成度（單片集成的系統(tǒng)門數(shù)達(dá)上千萬門）、高速（200MHz以上）、在線系統(tǒng)可編程等優(yōu)點(diǎn)，為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了突破性變革，大大推動(dòng)了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單片化、自動(dòng)化，提高了單片數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期、設(shè)計(jì)靈活性和可靠性。在超高速信號(hào)處理和實(shí)時(shí)測控方面有非常廣泛的應(yīng)用。 當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會(huì)。數(shù)字集成電路本身在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模集成電路(VLSIC，幾萬門以上)以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨(dú)立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們更愿意自己設(shè)計(jì)專用集成電路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的設(shè)計(jì)周期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。 四、闡述擬選題的目的、意義、要完成的工作和預(yù)期結(jié)果 1. 目的和意義 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題對(duì)我來說是一個(gè)很新的題目，所以什么都要從新開始，特別是VHDL語言的運(yùn)用。我想通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，將理論與實(shí)踐結(jié)合得更加緊密，進(jìn)一步強(qiáng)化動(dòng)手能力，為我以后的工作打下基礎(chǔ)。 2．要完成的工作 1.查找資料，對(duì)FPGA有一定的了解 2.畢業(yè)論文的撰寫，包括英文翻譯 3.簡單的外圍電路的設(shè)計(jì) 4.對(duì)FPGA芯片的編程與測試仿真 5.整和電路和硬件測試 6.論文的整理 3．預(yù)期結(jié)果 通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到多通道的音頻的采集，并能回放采集的音頻數(shù)據(jù)。 五、畢業(yè)設(shè)計(jì)所必需的實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、加工等初步計(jì)劃 1. 電路的參數(shù)的計(jì)算（主要是濾波器和音頻采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)），并根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)電路板 2. 對(duì)FPGA芯片的編程與測試仿真 3. 整機(jī)調(diào)試 六、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度安排 時(shí)間安排 完成工作 時(shí)間安排 第1周～第4周 準(zhǔn)備階段：主要是查找資料和理論學(xué)習(xí)階段，在這個(gè)階段還要完成的是方案的確定。（兩個(gè)星期） 第1周～第4周 第5周～第6周 硬件設(shè)計(jì)階段：主要完成外圍的電路的設(shè)計(jì) 第5周～第6周 第7周～第8周 軟件編程階段：主要完成對(duì)FPGA芯片的編成，同時(shí)要完成芯片引腳的確定 第7周～第8周 第9周～第11周 硬件制作階段：通過對(duì)FPGA芯片引腳的定義，設(shè)計(jì)完成電路圖，并做好電路版，著手撰寫論文 第9周～第11周 第11周~第12周 整機(jī)調(diào)試階段：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，盡量達(dá)到設(shè)計(jì)要求 第11周~第12周 第13周~第14周 完善系統(tǒng)功能，修改論文 第13周~第14周 第15周~第16周 準(zhǔn)備畢業(yè)論文及答辯 第15周~第16周 七、對(duì)選題報(bào)告的評(píng)論意見 主持人簽名： 年 月 日 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書 題 目：基于FPGA的多通道采樣 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 （系）： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： √ 題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 系（部） 　　 填表日期： 年 月 日 班 次 學(xué)生姓名 題目名稱 基于FPGA多通道采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 題目來源 教改、科研 結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際 √教師自選課題 　　 實(shí)習(xí)單位課題 題目類型 理論研究　　　 實(shí)驗(yàn)研究　　　 　√工程設(shè)計(jì)　 　工程技術(shù)研究　　　軟件開發(fā) 指導(dǎo)教師 工作地點(diǎn) 校內(nèi)：計(jì)算機(jī)系實(shí)驗(yàn)室 校外： 設(shè)計(jì)時(shí)間 年 月 日至 年 月 日 工作量及難度 太大 大 小 適 中 很 難 較 難 一 般 簡 單 √ √ 題目價(jià)值 √□實(shí)用價(jià)值題目 □推廣價(jià)值題目 □科研價(jià)值題目 課題主要內(nèi)容 利用所學(xué)的知識(shí)，設(shè)計(jì)、制作基于FPGA的多通道采樣系統(tǒng)。 (1)八通道采集，其中至少包括一路音頻信號(hào)； (2)采樣速率大于44.1KHZ； (3)12位采樣數(shù)據(jù)； 完成情況 □全部完成 □大部分完成 √□完成一半 □大部分未完成 存在困難 1． 系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，在工作完一段時(shí)間會(huì)停止工作，需要重新配置才可以使芯片工作 2． 采樣后的數(shù)據(jù)輸出有問題 解決辦法 把AD的4條控制線重新焊接，可以解決系統(tǒng)工作穩(wěn)定的問題 預(yù)期成績 □優(yōu) 秀 □良 好 □中 等 □及 格 □不及格 建 議 檢查教師簽名： 教務(wù)處實(shí)踐教學(xué)科制表 說明：1、本表由檢查畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)教師如實(shí)填寫；2、此表要放入畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）檔案袋中； 3、各系分類匯總后報(bào)教務(wù)處實(shí)踐教學(xué)科備案。 畢業(yè)設(shè)計(jì)(英文)資料翻譯 院 (系) : 專 業(yè): 學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào): 年 月 日 高速FPGA器件的頂層設(shè)計(jì) 鳴謝 在開始這份報(bào)告之前，我想感謝下面這些人，他們幫助我完成了這個(gè)項(xiàng)目，沒有他們的幫助，我是不可能完成這個(gè)項(xiàng)目。 我要感謝我的主管韋力·拉克教授，他在整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行中給了我很多的建議和鼓勵(lì)，他還告訴我也面對(duì)在項(xiàng)目中遇到的困難。 我要感謝楊教授，他讓我運(yùn)用他的硬件運(yùn)算法則。他還給我說明的例子源文件好讓了解他的理論。我還要謝謝他卓越的多媒體的教程。這些多媒體教程包括了很多讓我明白圖像進(jìn)程原理的概念。 我還要感謝阿·塔夫和雪瑞。他們是兩個(gè)PH·D的研究生，他們在項(xiàng)目執(zhí)行和應(yīng)用上幫了我很多。 摘要 在這個(gè)項(xiàng)目中，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)高質(zhì)量硬件設(shè)計(jì)的體系方法，有了這個(gè)方法，我成功地在高速硬件上運(yùn)行了一個(gè)經(jīng)典的凝膠圖像算法。在這份報(bào)告中，我還會(huì)提到一個(gè)新器件，這種新硬件可以通過重新排列代碼來自動(dòng)完成高質(zhì)量的硬件優(yōu)化。這樣它可以運(yùn)行在最小的時(shí)鐘周期中。這份報(bào)告分為5個(gè)章節(jié) 第一節(jié)是介紹：主要包括背景和所有相關(guān)的工作，還有一些我在這個(gè)項(xiàng)目上投資。 第二節(jié)是優(yōu)化：在這一節(jié)中，我將著重描述用于優(yōu)化的新器件。我還將論證一些器件可以自動(dòng)優(yōu)化的過程。 第三節(jié)是硬件拓展：在這節(jié)中，我將歸納幾步改變一個(gè)軟件，然后下載到硬件中。這些包括許多能改進(jìn)性能或者保存硬件資源的器件。 第四節(jié)是范例分析：凝膠圖像過程。在這節(jié)中，我將用凝膠圖像過程作為一個(gè)例子來說明在第二節(jié)中討論的硬件的資源和性能的影響。我還會(huì)比較兩種器件和軟件的應(yīng)用的性能，軟件的版本是：Pilchard 和 RC1000 第五節(jié)是結(jié)論，包括評(píng)估成就和期望的特性工作 網(wǎng)上也有這篇論文。網(wǎng)址：http://www.doc.ic.ac.uk/~mcn99/project/report.pdf 第一節(jié)：說明 自從Handel-C[5].a類C硬件語言的出現(xiàn)，一個(gè)完全的頂層的FPGA設(shè)計(jì)方法就被認(rèn)識(shí)到。然而許多開發(fā)者當(dāng)他們要設(shè)計(jì)高速運(yùn)行的硬件的時(shí)候仍然停留在底層的語言上，比如VHDL這是因?yàn)殚_發(fā)者在底層的方法有許多實(shí)際電路的控制方法。但底層的設(shè)計(jì)在FPGA芯片規(guī)模逐漸變大的時(shí)候可能會(huì)達(dá)到極限。開發(fā)人員將不能用底層的設(shè)計(jì)來開發(fā)包括幾十億個(gè)門的高速電路。這個(gè)時(shí)候頂層的設(shè)計(jì)就可以達(dá)到要求了。這個(gè)項(xiàng)目的目的就是介紹一套系統(tǒng)的方法來設(shè)計(jì)頂層的高速硬件性能。 1.1背景和相關(guān)工作 在這節(jié)中，我將介紹一些材料來方便讀者了解這篇論文中的一些概念。 1.1.1 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGAs）[1] 像許多的可變成邏輯器件（PLDs）一樣,FPGA是一塊可編程的硬件，然而， PLDs的資源消耗和時(shí)間延時(shí)限制了其大小。而FPGA可以很輕易在一塊集成芯片上設(shè)計(jì)一個(gè)有幾百萬個(gè)門的電路。FPGA的可再編程特性允許開發(fā)人員用比使用一塊VLSI芯片更少的開發(fā)時(shí)間和更少的開發(fā)成本來設(shè)計(jì)。值得一提的是FPGA以每年兩倍容量的發(fā)展。因?yàn)樽钚碌男酒嫌袔装偃f個(gè)門，所以FPGA是開發(fā)復(fù)雜應(yīng)用的系統(tǒng)理想開發(fā)平臺(tái)。因此我在開發(fā)它的應(yīng)用。 Pilchard [2] Pilchard是一個(gè)基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的可配置的計(jì)算平臺(tái)，它可以插在一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)人電腦的133MHZ同步的動(dòng)態(tài)RAM和雙向存儲(chǔ)器模塊（DIMMS）的插槽中。相比于傳統(tǒng)的利用PCI接口的FPGA器件，由于DIMM接口的寬帶寬和低延時(shí)，Pilchard允許數(shù)據(jù)在更短的時(shí)間傳出電腦或者傳入電腦。然而由于DIMM接口原本不是設(shè)計(jì)為I/O接口的，所以需要額外的控制信號(hào)來表示數(shù)據(jù)讀寫過程的開始和結(jié)束。因此，由于Pilchard的發(fā)展和運(yùn)用，頂層的性能設(shè)計(jì)方法好過底層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這就證明了為什么一個(gè)用高性能的FPGA的頂層設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法是很有必要的。 RC1000 [3] RC1000是一個(gè)專為可配置的計(jì)算應(yīng)用的32的PCI卡，它以庫的形式全支持的程序包在適合這設(shè)備的電路設(shè)計(jì)，它在連在FPGA或者主CPU的板子還有4個(gè)SRAM（每個(gè)2M字節(jié)），這塊板子可以配置成可以運(yùn)行在4000KHZ到100MHZ的頻率中。這個(gè)器件在很多方面是不同于Pilchard的，在這份報(bào)告中，我將表明發(fā)展在這項(xiàng)目內(nèi)一般介紹，并且可能在應(yīng)用開發(fā)在不同設(shè)備上適用。 1.1. 4 VHDL [4] VHDL是一門在當(dāng)今市場上最好的可編程邏輯器件設(shè)計(jì)語言，VHDL的頂層設(shè)計(jì)取決于他能讓設(shè)計(jì)者很快得將大型電路設(shè)計(jì)出來然后放到市場上。它可以用庫文件保存起來，以便以后的再應(yīng)用，由于VHDL是一門標(biāo)準(zhǔn)語言（IEEE標(biāo)準(zhǔn) 1076）。VHDL能像其他獨(dú)立器件設(shè)計(jì)一樣提供方便的代碼來同步和仿真，VHDL還很容易將一個(gè)可編程邏輯轉(zhuǎn)化為一個(gè)ASIC功能 。這門語言的缺點(diǎn)是還不夠高級(jí)，開發(fā)人員必須掌握組件的硬件特性。因此，我決定用另外一門更高級(jí)的硬件語言----i.e.Handel-C。 1.1.5 Handel-C [5] Handel-C是一門類似于C語言的編程語言，它可以用于將硬件圖像通過編程下載到FPGA或者ASICs中，Handel-C為了支持很少的硬件優(yōu)化而加入了一些在C中沒有的額外的特性。其中一個(gè)是這門語言支持指定每個(gè)信號(hào)的寬度，這樣優(yōu)化可以用Handel-C編譯的額外資源來完成優(yōu)化。Handel-C編譯的目的是為了能直接用xnf或者edif格式通過編程下載到硬件器件中。Handel-C好過VHDL的是它不需要開發(fā)人員掌握太多底層硬件知識(shí)，而VHDL必須要求掌握。它是一門完全的頂層設(shè)計(jì)語言！圖一顯示我采用的轉(zhuǎn)換Handel-C程序到硬件中，盡管每一步都需要很多工具，但用戶不需要了解硬件的細(xì)節(jié)，因?yàn)橛脩糁恍枰c(diǎn)幾個(gè)按紐就可以轉(zhuǎn)換文件到下一步，就像這樣。 圖1.1 Handel-C的設(shè)計(jì)流程 Handel-C編程 硬件 比特流 EDIF網(wǎng)格文件 編譯 布局和布線 下載 1.1.6 Handel-C語言的擴(kuò)展 [7] 一個(gè)PH.D的學(xué)生李東尤發(fā)明了一門支持硬件和軟件的語言，他的方法是把C和Handel-C綁在一起，在這門語言中，用戶可以指定哪個(gè)部分用于軟件，哪個(gè)部分用于硬件。在這個(gè)項(xiàng)目中，他還開發(fā)了很多友好的用語FPGA器件和主機(jī)的通信接口，然而支持這門語言的器件還相當(dāng)有限，這就是我為什么不選擇這門語言的原因。 1.2 主要成就 ·我已開發(fā)出一種簡單而有效的優(yōu)化方法，這種方法可以重新排列代碼，這樣可以運(yùn)行在最小時(shí)鐘周期。 ·我已開發(fā)出針對(duì)高速器件設(shè)計(jì)出一個(gè)體系的頂層硬件設(shè)計(jì)流程 ·我實(shí)現(xiàn)在硬件運(yùn)行復(fù)雜的2D凝膠圖像過程 第二章 優(yōu)化 在這章中，我將論述很多的方法來優(yōu)化頂層代碼，優(yōu)化是我們開發(fā)和運(yùn)用的主要部分，類似于由于有限的CPU資源而運(yùn)行的PC軟件。這一章的主要目標(biāo)放在怎樣自動(dòng)優(yōu)化這些進(jìn)程，我們還將討論一些相等進(jìn)程，以便衡量優(yōu)化后速度到底提高了多少 2.1 性能優(yōu)化 這是在開發(fā)潛能類似于程序在相同時(shí)鐘周期運(yùn)行在不相矛盾的操作來獲得速度上的增加，在通常的運(yùn)用中，十幾或者幾百個(gè)操作在電腦上并行運(yùn)行，然而電腦因?yàn)橛布Y源的有限是不能并行操作的。但是設(shè)計(jì)特殊的能并行操作的硬件是有可能的。重要是速度能達(dá)到。這就是為什么FPGA的應(yīng)用有時(shí)候比相應(yīng)運(yùn)行在低時(shí)鐘的FPGA的軟件（當(dāng)然我們也需要考慮到物價(jià)指數(shù)，但是PC機(jī)的CPU仍然可以快速獨(dú)立地運(yùn)行）。這有我們可以運(yùn)用的技術(shù)。 2.1.1 平衡每條路徑的延遲 平衡每條路徑的延遲是很重要，因?yàn)橛布臅r(shí)鐘最快也就是最長延時(shí)的那條路徑。因此因?yàn)槿绻心骋粭l路徑上延時(shí)十分嚴(yán)重，當(dāng)其他的路徑能夠以非常高的速度運(yùn)行的時(shí)候那么我們就浪費(fèi)資源。通過平衡延時(shí)能確保并行優(yōu)化是最理想的。一條路徑的延時(shí)定義為： = + (2.1) 這里的是一條路徑的總延時(shí)； 是邏輯延時(shí)； 是線路上的延時(shí) 因此，為了減少延時(shí)就是減少和的其中一個(gè)或者兩個(gè)都減少，這里有兩步主要步驟 ·化復(fù)雜的操作為簡單的操作 ·用一些預(yù)定義的組件和布線約束 化復(fù)雜的操作 首先，最簡單的步驟是把復(fù)雜的步驟分成學(xué)多簡單的操作，這個(gè)步驟有效得減少了每一步的邏輯操作，因此減少了等式2.1中。在軟件編程中，復(fù)雜操作通常比相同結(jié)構(gòu)的簡單操作運(yùn)行要快甚至更快，這是因?yàn)榫幾g器會(huì)為我們優(yōu)化結(jié)構(gòu)操作。而硬件中，一個(gè)復(fù)雜的操作就意味著要用很長的時(shí)間來完成，而簡單操作就不需要很長的時(shí)間。圖2.1表明了把一個(gè)復(fù)雜的操作分成許多簡單的操作。在這個(gè)例子中，我們可以看出有時(shí)候額外的寄存器 我們可以看出為了使操作足夠簡單，通過額外的寄存器把中間計(jì)算結(jié)果存起來是很有必要的。 圖2.1：復(fù)雜操作的分解 簡單操作 int temp; temp=c*d; temp+=b; a+=tem p; 復(fù)雜操作a+= b+ c*d 預(yù)定義布置和布線組件 如果第一種方法不能滿足用戶要求或者時(shí)序上的限制不能滿足，我們可以用FPGA芯片開發(fā)者提供的延時(shí)分析，來找出延時(shí)最長的一條線路。例如，我們可以用Xinlinx ISE Foundation 4的延時(shí)分析來分析Xinlinx公司的FPGA芯片，在找到最長的線路后，我們就知道哪個(gè)操作運(yùn)行太慢了。這個(gè)時(shí)候，我們就應(yīng)該試試這兩種方法來提高運(yùn)行速度。第一種方法是自己嘗試寫一個(gè)限制文件明確地布局和布線，這樣相比于一些不是很好的自動(dòng)布局和布線的工具可以提高工作效率。然后我們可以在布局和布線之前把這些限制文件包括到進(jìn)程中。然而這種方法需要開發(fā)人員有相當(dāng)多FPGA芯片知識(shí)，這包括關(guān)于芯片支持的一些能減少延時(shí)的原始組件和布局布線之間的關(guān)系等方面的知識(shí)。第二種方法相比來說簡單一些,就是用一些預(yù)定義好的元器件來布局和布線，這些都是芯片開發(fā)人員做好的，簡單來說就是芯片開發(fā)人員已做好了，你只是調(diào)用就行了。就Xinlinx來說，他有一個(gè)叫做代碼生成器的編程軟件，他就像上面說的一樣可以直接調(diào)用的。Handel-C菜單中指定了怎樣把這些組件包括到Handel-C編程菜單中，然而用戶需特別注意這些組件的輸入和輸出的時(shí)序。由于Handel-C語言的局限性，輸入信號(hào)要晚一個(gè)周期進(jìn)入組件，這一步會(huì)減少等式2.1中，因?yàn)檫壿媺K的較佳的布局和信號(hào)的布線會(huì)使延時(shí)明顯得減少。 進(jìn)程自動(dòng)的可能性 以上，我們討論了兩種方法來達(dá)到這一步，這一步是很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)，因?yàn)楹茈y定義哪個(gè)操作是復(fù)雜的哪個(gè)不是，這取決于我們用到的器件和芯片還有程序的功能。我們需要一個(gè)嚴(yán)格時(shí)序限制的器件。一個(gè)16位的乘法器相比于其他不能運(yùn)行在高速的器件來說可以認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的器件。當(dāng)一個(gè)操作不能運(yùn)行在高速環(huán)境上，再去把這個(gè)操作再去分成一些可以運(yùn)行在高速的分操作簡直是浪費(fèi)。然而我們可以再借用李的觀點(diǎn)來把這些操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。當(dāng)編譯源文件的時(shí)候，我們可以包含我們要用的器件信息和時(shí)序限制，器件庫包含有每個(gè)邏輯單元的延時(shí)時(shí)間。它還包括FPGA開發(fā)工具怎樣對(duì)信號(hào)布線的信息。這樣編譯器可以估計(jì)每路的, ,，然后和限制的時(shí)序延時(shí)比較，如果不能達(dá)到，編譯器會(huì)用上面提到的第二種方法來平衡每路的延時(shí)，直到符合限制條件。 2.1.2 基本的并行操作 這是實(shí)際的性能優(yōu)化的最簡單的第一步，下面的操作可以使進(jìn)程自動(dòng)化。連續(xù)掃描程序，盡量把更多的操作聯(lián)合在一個(gè)時(shí)鐘周期中，直到違背了資料相依的條件，然后在下一時(shí)鐘周期重復(fù)這樣的操作。因?yàn)槲覀円呀?jīng)討論怎樣在更盡快的部分內(nèi)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)從屬性，這個(gè)過程可能被自動(dòng)做。圖2.2是一個(gè)簡單的例子，我們看到如果沒有并行操作，將需要8個(gè)時(shí)鐘周期來完成8個(gè)操作，然而如果用并行操作，只需要2個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成這些操作。 A=1; 操作1 Par{ B=2; 操作2 A=1; 操作1 C=3; 操作3 B=2; 操作2 D=4; 操作4 C=3; 操作3 A=A+1; 操作5 D=4; 操作4 B=B+2; 操作6 } C=C+3; 操作7 Par{ D=D+4; 操作8 A=A+1; 操作5 操作5是依賴與操作1的， B=B+2; 操作6 但并不依賴操作1，操作2 C=C+3; 操作7 操作3，操作4之間，就像 D=D+4; 操作8 在操作5，操作 6，操作7 } 操作8之間一樣。 2.1.3 重新排列代碼順序 有時(shí)候，一個(gè)程序可以有高度的并行性，但操作執(zhí)行的順序的方法在上面提到的。例如，圖2.3中的代碼是跟圖2.2中的代碼功能是一樣的，但如果我們用基本的并行操作，將需要4個(gè)時(shí)鐘周期來完成這個(gè)操作，而不是2個(gè)時(shí)鐘周期。 我們有是可以通過重新排列代碼的順序，這樣程序可以運(yùn)行盡可能少的時(shí)鐘周期，例如上面代碼可以改成圖2.2一樣的順序，這樣我們又可以用“基本平行”方法。由于這些進(jìn)程可以被編譯器自動(dòng)進(jìn)行，編譯器將需要有相當(dāng)多編程的知識(shí)和原因，我已研究出一個(gè)方法來實(shí)現(xiàn)這些進(jìn)程的自動(dòng)化。 1.首先，選擇一部分代碼開始, 最好在局部循環(huán)中。 2.用變量名作為索引和標(biāo)簽來建一個(gè)空表，標(biāo)簽的格式是var:n，其中var是一個(gè)變量的名稱，n是指定的操作順序的個(gè)數(shù)。 3.連續(xù)掃描代碼，對(duì)每一個(gè)變量的任務(wù)(任一修正/設(shè)定初值), 在下面被列出的規(guī)則之后分配標(biāo)簽到操作: 第一步：查詢表格，找到標(biāo)注的變量的標(biāo)簽 第二步（a）如果沒有發(fā)現(xiàn)入口，變量就是先前定義，把這個(gè)程序入口加入表格，內(nèi)容（標(biāo)簽）指定為as:形式。 第三步（a1）如果變量是一個(gè)常量或者是一個(gè)從外部輸入的信號(hào)量。指定其標(biāo)簽為VARname:1,這里的VARname是定義的變量名。 第三步（a2）如果變量的值取決于其他的變量，從表格中取出這些變量的標(biāo)簽，定義這些變量的標(biāo)簽從我們?nèi)〉米畲蟮拇涡蚣?得到。例如，如果 a=b + e，如果b是d：3，e是e：4，這樣a的標(biāo)簽應(yīng)該是e：5 第二步（b）如果有程序入口，變量就是在前面已經(jīng)定義的，直接取得這些變量的標(biāo)簽。 第三步（b）更新在第三步（a1）和第三步（a2）中改變了的變量標(biāo)簽，但是由于一個(gè)變化當(dāng)發(fā)現(xiàn)最大的次序標(biāo)簽的時(shí)候，我們應(yīng)該包括比較的它本身的標(biāo)簽。 舉例來說, 如果a = b+c 而c和b的標(biāo)簽是和上面的相同的，但是a的標(biāo)簽已存在表格中，值為a：5，這樣新的標(biāo)簽將會(huì)是a:6.注意在做比較的時(shí)候，我們要視常數(shù)的次序?yàn)?。 第四步：用我們剛才指定的標(biāo)簽把這些操作連接起來。 4.將所用的操作做了標(biāo)簽后，我們就要調(diào)整操作了，把有相同次序的操作放到一起。 5.現(xiàn)在，“基本平行”方法將會(huì)回到運(yùn)行最少周期的程序代碼上了。相同次序的將會(huì)放到一個(gè)塊中。 6.重復(fù)從第二步開始的各個(gè)步驟，直到整個(gè)程序都被轉(zhuǎn)換。 這個(gè)方法的可行性是把所有的操作放到最近的一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行，這樣，經(jīng)過修改后的代碼只用最少的時(shí)鐘周期就可以執(zhí)行完成了。很顯然這種方法可以很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，通過聯(lián)合這種方法和前面的“基本平行”的方法，一個(gè)令人驚訝的效率很高的并行工作工具被發(fā)展! 圖2.4顯示出這種方法怎樣工作的例子 圖2.3 未優(yōu)化代碼 A=1; 周期1 Par{ B=2; 周期2 A=1; 周期1 C=3; 周期3 A=A+1; D=4; 周期4 } A=A+1; 周期5 Par{ B=B+2; 周期6 B=1; 周期2 C=C+3; 周期7 B=B+2; D=D+4; 周期8 } Par{ 周期3 C=3; C=C+3; } Par{ 周期4 D=4; D=D+4;} 圖2.4重新排列代碼的步驟 2.1.4 增加寄存器來儲(chǔ)存中間結(jié)果 僅僅通過重新排列代碼有時(shí)候是不夠的，如果我們發(fā)現(xiàn)有許多針對(duì)一個(gè)變量的操作，而其他的變量只有幾步的操作，這樣就會(huì)出現(xiàn)在前面幾個(gè)時(shí)鐘周期有很多的操作，而到了后面的時(shí)鐘周期卻沒有了幾步操作。這樣，我們能平衡每個(gè)時(shí)鐘周期的操作呢？可能解決這個(gè)問題的辦法就是增加寄存器來儲(chǔ)存中間結(jié)果，而且這樣可以在很短的時(shí)間計(jì)算中間變量的值，由于這需要很的理論和邏輯單元，而且這項(xiàng)操作很復(fù)雜，所以可以很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。圖2.5是這種方法的一個(gè)例子，我們可以看到在修改代碼之前需要3個(gè)時(shí)鐘周期在修改程序后只需要2個(gè)時(shí)鐘周期。 圖2.5 用存儲(chǔ)器來儲(chǔ)存中間變量 2.1.5 流水線操作 流水線操作是在一個(gè)操作中有多任務(wù)的時(shí)候一種執(zhí)行方法，亨利絲和帕得森在他們的書第三節(jié)是這樣介紹這個(gè)流水線操作的具體方法： 流水線操作就像是一個(gè)裝配線，在一個(gè)自動(dòng)裝配線上有許多步驟，每個(gè)步驟完成一個(gè)裝備小汽車的操作，盡管在不同的小汽車上，但每個(gè)步驟都是并行作業(yè)的。 理想狀況下，我們可以在每個(gè)時(shí)鐘周期后來執(zhí)行下一個(gè)操作，這樣，流水線操作就是滿負(fù)載的，生產(chǎn)量在每個(gè)時(shí)鐘周期將會(huì)是一項(xiàng)任務(wù)不論它花多少時(shí)鐘周期來完成這項(xiàng)操作，因此，當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要100個(gè)時(shí)鐘周期來完成，而且你有足夠多的任務(wù)來讓生產(chǎn)線一滿負(fù)荷，這樣將花大約100倍的時(shí)間來完成所有的任務(wù)，但速度決定不會(huì)達(dá)到100，因?yàn)椋? ·流水線需要額外的控制邏輯，因此需要增加成本。 ·流水線需要額外的寄存器來儲(chǔ)存中間變量，因此增加延時(shí)。 此外，開發(fā)人員要知道操作不會(huì)在很段的時(shí)間就完成了，因此流水線操作是一個(gè)理想的相同的計(jì)算大數(shù)據(jù)操作。 這有當(dāng)我們用流水線操作的時(shí)候必須注意到的幾點(diǎn)： ·當(dāng)沒有足夠硬件資源來處理交錯(cuò)的任務(wù)的時(shí)候，哈澤德式結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生。例如，我們不能在一個(gè)時(shí)鐘周期來多次來讀一個(gè)RAM里的數(shù)據(jù)。解決的方法是在流水線操作中確保有足夠多的硬件資源。 ·因?yàn)槟阌玫募拇嫫鲀?chǔ)存的中間變量的值在每個(gè)周期可能會(huì)改變，所以寄存器中數(shù)據(jù)會(huì)丟失，除非你有足夠多寄存器來儲(chǔ)存中間變量。這樣，如果在一個(gè)流水線的一個(gè)狀態(tài)在很多狀態(tài)以后才用到，這樣我們就需要增加額外的寄存器來儲(chǔ)存和傳遞中間變量的值，這樣任務(wù)進(jìn)入一個(gè)新的狀態(tài)的時(shí)候，任務(wù)想要讀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)就有數(shù)據(jù)可以讀。 ·當(dāng)操作需要數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，哈澤德式數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生。當(dāng)進(jìn)入一個(gè)新的流水線操作的時(shí)候我們需要很小心設(shè)計(jì)流水線操作，以防止哈澤德式數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。 圖2.6是一個(gè)把Handle-C程序轉(zhuǎn)換成流水線操作的例子，運(yùn)行的結(jié)果是數(shù)據(jù)輸入5階次方。 圖2.7顯示出上面例子的效果。 圖2.6 轉(zhuǎn)換為流水線操作 圖2.7流水線的效果 2.2 空間優(yōu)化 空間優(yōu)化跟時(shí)間優(yōu)化完全不同，時(shí)間優(yōu)化通常是在同時(shí)用更多資源執(zhí)行更多的操作來獲得高速操作，而空間優(yōu)化關(guān)心是這樣用最少的資源來完成操作。這在FPGA設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要，因?yàn)槲覀冇玫馁Y源越少，我們可以在片子上有更多的操作。我們現(xiàn)在就來討論一些空間優(yōu)化的方法。 2.2.1 變量的最佳寬度 記住在4.1標(biāo)準(zhǔn)寬度中變量的轉(zhuǎn)化方向，事實(shí)上，如果我知道一個(gè)我們要用的值的上限和下限范圍，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)有些位在大多數(shù)情況是用不到的。例如：一個(gè)0-1024的變量就不需要用32位，11位的整型就足夠了。一個(gè)位數(shù)少的就只需要小的寄存器來儲(chǔ)存了。位數(shù)低的比位數(shù)高的相同操作需要更少的邏輯門，等式2.1中提到，是的一個(gè)組成部分，因此，這種優(yōu)化不僅節(jié)省了很多資源，還減少了，從而減少了。 皇家學(xué)院的學(xué)生阿·塔夫正在研究這個(gè)項(xiàng)目[8]。這個(gè)項(xiàng)目主要的目標(biāo)是通過限定浮點(diǎn)型變量的最佳寬度來自動(dòng)資源優(yōu)化。他的方法是仿真足夠多的數(shù)據(jù)，然后通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理來找出變量的最佳寬度。 2.2.2 組件的再運(yùn)用 如果相同寬度的不同操作數(shù)的相同操作在不同的時(shí)鐘周期中要運(yùn)行多次，我們就可以建立一個(gè)可以應(yīng)用于不同操作數(shù)組件。這種方法不影響電路的延時(shí)，但節(jié)省了復(fù)制組件的門！為了能更多的運(yùn)用這些組件，我們甚至可以放棄限制條件，這樣短操作數(shù)的操作可以運(yùn)用這寫共享組件。這是因?yàn)殚L操作很短操作是一樣的?？赡苡幸蓡柺?，由于用了并需要多很多邏輯單元會(huì)增加電路的延時(shí)。是的，原則上，我們可以用足夠的邏輯單元就會(huì)操作變快，然而FPGA器件并不支持不同操作不同時(shí)鐘，時(shí)鐘的頻率時(shí)最長那條路徑來決定，因此，共享組件對(duì)程序的影響不會(huì)很大。 在Handel-C中，共享表達(dá)式可以很容易定義共享組件，圖2.8是這樣的一個(gè)簡單例子，想要了解更詳細(xì)的信息，參考Handel-C的用戶指南和DK1設(shè)計(jì)步驟是很有用的。 圖2.8 Handel-C中的共享表達(dá)式 2.3 評(píng)估 如果我們不知道估計(jì)結(jié)果，這樣就無法知道優(yōu)化是否達(dá)到效果，因此，在這節(jié)中，我們將討論有關(guān)估計(jì)的相關(guān)手法。我將給出一些等式，這樣，開發(fā)人員就可以對(duì)操作做出判斷。是否值得在硬件中編程？如果結(jié)果達(dá)不到預(yù)期結(jié)果，器件再高級(jí)點(diǎn)是否可以值得這樣做，或者可以想到能達(dá)到更高速度的其他方法。這些都是我們這節(jié)要回答的問題。 2.3.1 等式 =+ + (2.2) 現(xiàn)在我們將介紹一些其他的等式來幫助我們估計(jì)結(jié)果。 假設(shè)硬件在執(zhí)行的過程中不需要經(jīng)常配置，這樣0因此，等式變?yōu)椋? = + (2.3) 可以通過下面等式得： =n*t (2.4) 這里的n時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，n是時(shí)鐘的延時(shí) T可以通過下面等式確定： t=1/c （2.5） 這里c是時(shí)鐘頻率 因此 =n/c （2.6） n可以在電路編譯后的仿真中得到，c可以從延時(shí)報(bào)告中得到。 同理我們可以得到 =w/b (2.7) 這里的w是每項(xiàng)操作主機(jī)和FPGA芯片需要交換的字節(jié)數(shù)，b是器件和PC機(jī)通信的接口的帶寬。 把連在一起得： =w/b+n/c (2.8) 從這個(gè)等式中，我們可以看到優(yōu)化并不是只是減少時(shí)鐘的個(gè)數(shù)和提高時(shí)鐘的頻率，我們還要考慮到通信的數(shù)據(jù)量，有時(shí)候，高速并不因?yàn)槟隳芎芸靷鬟f數(shù)據(jù)，而是因?yàn)楹芎脗鬟f數(shù)據(jù)的方法。例如：如果我們能很輕松處理數(shù)據(jù)以便數(shù)據(jù)在n操作只能被讀一次，然后每個(gè)操作中w等于o+i/n，這里o是輸出到主機(jī)的數(shù)據(jù)量，而i是從主機(jī)輸出的數(shù)據(jù)量。 2.3 等式的推理 我們知道軟件的，所以我們就可以知道期間是否可以達(dá)到我們想要的速度。如果不知道，我們將試著去推出來。 1. 首先，w/b是比大一點(diǎn)嗎？如果是，不管硬件運(yùn)行多快，對(duì)整體的速度的提高一點(diǎn)用處都沒有，因?yàn)榇蟛糠值臅r(shí)間都用來傳遞數(shù)據(jù)，除非你利用一個(gè)高帶寬的通信接口，這樣就不值得在硬件上執(zhí)行這個(gè)程序了。 2. 假設(shè)c不變，w/b相對(duì)與相當(dāng)?shù)男?。例如：時(shí)鐘的頻率是不變的，計(jì)算n需要達(dá)到這個(gè)速度，這樣我們就應(yīng)該考慮更多的并行處理方法來達(dá)到這個(gè)周期數(shù) 3. 如果你覺得不好處理n，那么就假設(shè)n是定值，這樣計(jì)算c是否可以提高速度，然后考慮當(dāng)前的方法是否可以運(yùn)行在這樣的速度上，如果你用更高級(jí)的芯片是否可以提高速度?；蛘吣闶欠衿谕隳苓\(yùn)行的速度的芯片進(jìn)入市場。 4. 是否你的方法有局限性，例如：如果你讀同時(shí)存儲(chǔ)器中一個(gè)地址，可能你的方法能以10倍的速度運(yùn)行。 5. 最后，你的程序是否可以在硬件的其他可以開發(fā)的并行執(zhí)行的位置執(zhí)行。 2.4 小結(jié) 在這章中，我討論了很多優(yōu)化操作，我介紹了通過重新排列代碼來使你的的程序能并行執(zhí)行在最段的周期中，在后面，我介紹了優(yōu)化操作中很重要的一個(gè)計(jì)算等式，在等式中，我們了解到操作的執(zhí)行速度不僅跟FPGA芯片運(yùn)行速度和你能減少多少個(gè)時(shí)鐘周期，還跟怎樣減少FPGA芯片跟主機(jī)通信的資源有關(guān)。 第三章：系統(tǒng)的頂層硬件設(shè)計(jì) 在這章中，我將介紹這樣把軟件編程轉(zhuǎn)換到硬件的一般的5個(gè)步驟，我將在后面的幾個(gè)小節(jié)中具體介紹這5個(gè)步驟。 3.1 設(shè)計(jì)步驟 Handel-C中，開發(fā)人員把軟件編程轉(zhuǎn)換為硬件電路的一般步驟如圖3.1所示。如下所示： 1. 第一步是編程分析，編程分析通常是確定程序中哪塊要轉(zhuǎn)換為硬件。這步是很重要的，因?yàn)檫@步?jīng)Q定了操作的最后結(jié)果，基本方法是找出一個(gè)程序哪一個(gè)部分重復(fù)執(zhí)行，因此這個(gè)部分的速度將很明顯影響整個(gè)電路的速度。 2. 第二步是直接轉(zhuǎn)換，這一步是直接把軟件編程不優(yōu)化直接轉(zhuǎn)化到硬件電路中，這樣是為了確保硬件執(zhí)行結(jié)果能跟軟件一樣。 3. 第三步是平衡延時(shí)，這是為了平衡硬件每個(gè)部分的延時(shí)，這一步很重要，因?yàn)橛布臅r(shí)鐘延時(shí)會(huì)是每個(gè)通路的最長的那個(gè)延時(shí)，因此，如果某一個(gè)通路的延時(shí)比其他的都要長，這就意味著我們浪費(fèi)很多資源，因?yàn)槠渌耐凡荒苓\(yùn)行在更高的速度。 4. 第四步是優(yōu)化，一次運(yùn)用一種優(yōu)化算法是很重要的。應(yīng)用優(yōu)化算法后，我們就要看程序是否達(dá)到要求，如果沒有達(dá)到，就回到第三不，如果達(dá)到了，就繼續(xù)下面的第五步。 5. 最后一步是估算，就是估計(jì)程序的硬件電路的實(shí)際結(jié)果，然后對(duì)下面的問題做一個(gè)結(jié)論。硬件是否提高了程序的運(yùn)行速度？如果沒有，在哪一塊能，我們可以用其他的方法來執(zhí)行這個(gè)程序嗎？…等。 我們可以看到最后3個(gè)步驟事實(shí)是我們前面討論的優(yōu)化，剩下的我們將在這章中討論。 圖3.1 硬件開發(fā)步驟 第一步：程序分析。確定程序哪個(gè)部分需要轉(zhuǎn)換 第二步：把軟件不優(yōu)化直接轉(zhuǎn)化為硬件 第三步：平衡每路的延時(shí) 第四步：優(yōu)化，每次應(yīng)用一個(gè)優(yōu)化算法，檢查是否符合條件要求，如果不符合，回來第三步 第五步：估計(jì)實(shí)際結(jié)果，寫結(jié)論 3.2 編程分析 在這一節(jié)中，我們將討論硬件頂層設(shè)計(jì)的第一步。程序分析是最五個(gè)步驟中最重要的一步，以為如果在硬件上選擇了錯(cuò)誤的部分，那么對(duì)程序的影響將不會(huì)很明顯或者可以忽略。 3.2.1 程序分析的四個(gè)指導(dǎo)原則 我研究出程序分析的四個(gè)指導(dǎo)原則，開發(fā)人員并不需要必須征尋，但可以給開發(fā)人員知道程序的哪個(gè)部分可以轉(zhuǎn)換。 原則1：選擇重復(fù)執(zhí)行的部分 原因很明顯，如果我們選擇在硬件中很少運(yùn)行的部分，盡管這個(gè)部分可以高速運(yùn)行，但對(duì)實(shí)際程序的運(yùn)行并不起很大的作用，因?yàn)樗谟布泻苌賵?zhí)行。我們最好選擇在有限的硬件中執(zhí)行程序的內(nèi)循環(huán)。然而，因?yàn)榧夹g(shù)的提高，今天，隨著FPGA芯片的越來越大，集成的百萬個(gè)門和實(shí)時(shí)的在線配置，把整個(gè)程序都寫到硬件中都是有可能的。 原則2：選擇數(shù)據(jù)依賴性小的模塊 在硬件執(zhí)行的那部分程序是不能太依賴數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA芯片一般是比PC機(jī)的CPU要慢一點(diǎn)，這就為什么需要外加邏輯電路來配置FPGA器件。因此程序的并行操作才可以到達(dá)高速。太依賴數(shù)據(jù)將會(huì)減少并行的操作，因?yàn)檫@塊的數(shù)據(jù)取決于其他塊的數(shù)據(jù)將會(huì)影響程序的并行操作。 原則3：選擇通信少的模塊 硬件執(zhí)行時(shí)間是 = + + （3.1） 這里的表示總的執(zhí)行時(shí)間 表示重新配置的時(shí)間 表示主機(jī)和FPGA芯片傳遞數(shù)據(jù)的時(shí)間 表示實(shí)際的數(shù)據(jù)執(zhí)行時(shí)間 從等式3.1可以看到，完成所有硬件操作的時(shí)間不但取決于數(shù)據(jù)執(zhí)行時(shí)間，而且還包括了FPGA芯片配置時(shí)間（），傳遞初始數(shù)據(jù)和從FPGA芯片中讀數(shù)據(jù)的時(shí)間（），如果我們不需要實(shí)時(shí)重新配置FPGA芯片，在我們第一次配置器件的時(shí)候，?就是零，然而每次執(zhí)行程序的時(shí)候，就不會(huì)是零，總共的時(shí)間取決于主機(jī)和器件交換的數(shù)據(jù)量很交換的頻率。如果有大量的數(shù)據(jù)要傳送，當(dāng)Tcomm占Texec的大部分的時(shí)候，高速運(yùn)行可能就達(dá)不到。然而在某些情況下是有辦法來解決這個(gè)問題的。例如，如果在順序執(zhí)行的時(shí)候，大部分的數(shù)據(jù)是一樣的，我們在第一次操作后就把這些數(shù)據(jù)留在FPGA芯片中，這樣順序執(zhí)行的Tcomm包括在傳遞不同數(shù)據(jù)的時(shí)間中。 原則4：如果可以，盡量避免浮點(diǎn)型的計(jì)算 眾所周知，PC機(jī)比FPGA芯片能更好得計(jì)算浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，由于專用的CPU和很好并行硬件設(shè)計(jì)，所以推薦有CPU來處理浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，盡管FPGA有支持浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)計(jì)算的庫，但它不能像運(yùn)行整形數(shù)據(jù)計(jì)算那樣快，然而，現(xiàn)在有很多商業(yè)界，學(xué)術(shù)界都在研究這個(gè)操作，所以我可以預(yù)見這個(gè)原則過不了多久就用不上了。盡管這樣，我還是要推薦避免浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)操作，如果開發(fā)人員碰到浮點(diǎn)型的計(jì)算，應(yīng)該試著考慮可否用整形數(shù)據(jù)計(jì)算來代替浮點(diǎn)型的計(jì)算。 所有的硬件開發(fā)操作中，這些操作是最難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成的。因?yàn)檫@涉及到考慮程序到底是做什么的，因此很難找到一個(gè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的規(guī)則，然而，可以從現(xiàn)在的編譯器借鑒一些方法來使這一步簡單點(diǎn)，例如：亨利絲和帕得森研究的編譯器的方法，從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)依賴而且很有可能可以除去這中依賴性。 3.3直接轉(zhuǎn)換 在這節(jié)中，我們將看到開發(fā)過程的第二步。就是把軟件編程直接轉(zhuǎn)化成硬件語言，這一步不涉及任何優(yōu)化，把優(yōu)化留在后面是因?yàn)槲覀儽仨毚_保硬件編程能和軟件編程有同樣的結(jié)果，這樣可以方便調(diào)試，如果我們把優(yōu)化放在前面，這樣如果有錯(cuò)誤有發(fā)生時(shí)，我們就很難調(diào)試程序，因?yàn)槲覀儾恢绬栴}出在哪一步。 這個(gè)部分是很直接，因?yàn)镠andel-C是一門頂層設(shè)計(jì)語言。僅僅需要加一些代碼來讓主機(jī)和FPGA器件之間通信，這部分代碼要符合等式3.1中通信用時(shí)（），它的工作之一是從主機(jī)取出和裝入進(jìn)程需要的數(shù)據(jù)，另一個(gè)工作是把FPGA器件處理后的數(shù)據(jù)傳回主機(jī)。上面提到，這一步很重要。找到一個(gè)能每項(xiàng)操作傳送最少數(shù)據(jù)方法是很重要的，一種可行的方法是把盡量多可以再用的數(shù)據(jù)用FPGA的RAM儲(chǔ)存起來。另外一種方法是把數(shù)據(jù)分割成若干部分以便FPGA芯片能儲(chǔ)存起來，反復(fù)利用這些數(shù)據(jù)，直到它被清除出器件。通信的編碼很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成，因?yàn)椴煌男酒椭鳈C(jī)通信的方式不同。然而，去年，一個(gè)卓越的工學(xué)士李東尤提出可以解決這個(gè)問題的方案。他開發(fā)出一種新的語言，這種語言把軟件編程和硬件語言統(tǒng)一在一起。有了這個(gè)軟件，用戶可以定義哪些部分由硬件完成，哪些部分由軟件完成。指定器件后，他的編譯器通過器件庫自動(dòng)生成通信代碼，因此，如果要編譯器支持一個(gè)新的器件，用戶可以很簡單把它寫進(jìn)庫里。這種方法可以使一般的開發(fā)人員不必花太多的時(shí)間在寫器件的通信代碼。 3.4 小結(jié) 在這個(gè)章節(jié)中，我們討論了高速FPGA芯片的頂層設(shè)計(jì)的一般步驟，在第二部分，我還提到了怎樣解決通信中的最少數(shù)據(jù)量的問題。 第四章：例程分析：2-D凝膠圖像處理 在這章里，我們將討論在第二章提到的現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。我們將以2-D凝膠圖像的處理作為例子來說明第二章中提到的開發(fā)步驟。我們還將比較流水線操作和RC1000操作的性能，遺憾的是，由于一些困難，我還沒研究出2-D凝膠圖像的處理的流水線操作，這在后面的章節(jié)將會(huì)細(xì)細(xì)討論。 4.1 2-D凝膠圖像處理 2-D凝膠圖像處理是一個(gè)用研究的技術(shù)，它的目的是在不同時(shí)間將兩張圖像來匹配凝膠模型，然而，因?yàn)椴煌笮〉膱D像很難對(duì)準(zhǔn)，所以很難正確和有效的匹配模型，最近S.Vesser博士,M.J.Dunn博士和 G. Z.Yang博士的一片論文中提到一個(gè)新奇的技術(shù)，這種技術(shù)是基于圖像強(qiáng)度分配比選擇圖像特性佳的原則。方法是使用凝膠圖像處理一個(gè)多解析度表示法而且開發(fā)事實(shí)最佳的匹配的近似值能被從低解析度圖像有效率地吸取。 在這一步，最重要是找出程序執(zhí)行次數(shù)最多的內(nèi)循環(huán)，否則對(duì)程序的影響不會(huì)很明顯，所以我們必須掌握這種方法工作的算法。下面是用于編程的簡短算法。 第一步：設(shè)定層為第0層； 第二步：設(shè)定解析度為5來模糊圖像I1，I2 ； 第三步：嚴(yán)格優(yōu)化轉(zhuǎn)換參數(shù)t為； 第四步：如果l小于5，繼續(xù)下面第五步，否則結(jié)束； 第五步：細(xì)化t 第六步：如果沒有完成所有的t矩陣ai，j；ai+1，j；ai，j+1；ai+1，就執(zhí)行第七步，否則執(zhí)行第八步； 第七步：將控制點(diǎn)ci，j；ci+1，j；ci，j+1；ci+1，j+1最佳化是由使用 BFGS 取 f(c)=corr(l1, tc(I2))的最大值得到,然后回到第六步； 第八步：增加設(shè)計(jì)層次l 第九步：設(shè)定解析度為5+l來模糊圖像I1，I2，然后回到第四步； 基本上，運(yùn)算法則的主意是把兩個(gè)輸入圖像 (I1,I2) 分為特定數(shù)目的區(qū)塊(柵極)。當(dāng)圖像2(I2) 的柵極形狀被控制點(diǎn)(ci，j; ci+1，j; ci，j+1; ci+1，j+1)決定的時(shí)候， 圖像1(I1) 的柵極在外形上總是尖銳的.一個(gè)目標(biāo)圖像(tc(I2)) 是通過轉(zhuǎn)換對(duì)I1的對(duì)應(yīng)I2中尖銳的柵極圖素，這樣是為了符合I1中的矩形像素。阻止控制點(diǎn)的操作和相似性就可以在 I1 和Tc(I2)之間被計(jì)算。相似性是在 2個(gè)圖像之間的圖素的關(guān)聯(lián)。然后派生出將會(huì)用來調(diào)整控制點(diǎn)，以使在I2和Tc(I2)之間的相似性將會(huì)增加。重復(fù)執(zhí)行程序，直到相似性的達(dá)到滿意。 上面的整個(gè)程序在圖像的不同解析度將會(huì)被執(zhí)行。從低的解析度到高解析度的操作。 柵極的數(shù)目是程序工作的解析度決定。源自較低的解析度的控制點(diǎn)將會(huì)決定較高的解析度的程序開始控制點(diǎn)。很顯然計(jì)算的哪一步是用時(shí)最多, 就是第7步的“控制點(diǎn)的優(yōu)化”。因此我選擇這一個(gè)部份作為我們硬件操作的出發(fā)點(diǎn)。 4.2.2原則4：盡量避免浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的計(jì)算 因此我們選擇執(zhí)行時(shí)間最長的那個(gè)部分。現(xiàn)在應(yīng)該看看這部分是否適合在硬件執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)是適當(dāng)?shù)摹?因?yàn)榭刂泣c(diǎn)的優(yōu)化算法是用包括許多浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)計(jì)算的算出的，所以在第一眼看去，程序是不符合這個(gè)規(guī)則的。 在現(xiàn)階段,我們應(yīng)該做第一件事物是看是否可以用整型數(shù)據(jù)計(jì)算來代替浮點(diǎn)計(jì)算。一個(gè)有用的方法是依大小決定浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的數(shù)值，以便特定量整型數(shù)據(jù)的最低重要整型數(shù)據(jù)位表現(xiàn)在十位后面的數(shù)值。 但是正常地，浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)能比相同的寬度整型數(shù)據(jù)適應(yīng)數(shù)值范圍大。 這就意味著，當(dāng)把它傳遞到整數(shù)的時(shí)候，我們要丟掉浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的某些有效數(shù)據(jù)位。丟掉這些有效數(shù)據(jù)位對(duì)這程序運(yùn)行的影響不是很大。 遺憾的是，我認(rèn)識(shí)到這不是程序的主體，事實(shí)上，一些運(yùn)算過程的中間結(jié)果有很大的數(shù)據(jù)，特別是程序運(yùn)行在很多像素參加處理的時(shí)候。這就意味著丟掉一些有效數(shù)據(jù)位對(duì)程序的最后影響是很明顯的，但是，當(dāng)我們更深入了解程序的時(shí)候，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化其實(shí)是可以分成兩個(gè)部分的。 ·相似性和導(dǎo)出的轉(zhuǎn)換和計(jì)算 ·BFGS優(yōu)化 僅僅第二個(gè)部分才會(huì)涉及到浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的計(jì)算，第一部分可以在整型數(shù)據(jù)上執(zhí)行，現(xiàn)在，我們就要問個(gè)問題：第一個(gè)部分也是程序執(zhí)行最頻繁的那個(gè)部分嗎？在回答這個(gè)問題之前，讓我們來看看下面這個(gè)等式： c=w*i*CPI (4.1) 這里的w是程序中數(shù)據(jù)單元的個(gè)數(shù) i是每個(gè)數(shù)據(jù)單元指令的平均值 CPI是每個(gè)指令執(zhí)行的平均周期 c是程序執(zhí)行總共時(shí)鐘周期 現(xiàn)在我可以告訴答案是第一個(gè)部分就是程序執(zhí)行最頻繁的那個(gè)部分，盡管兩個(gè)部分執(zhí)行的時(shí)間是一樣的，第一部分的確是計(jì)算量最大的，原因是兩者圖像的大部分像素都參與到第一部分的計(jì)算，而第二部分只須計(jì)算控制點(diǎn)的工作，控制點(diǎn)要比圖像的像素點(diǎn)要少得多。因此第一部分的等式4.1中的w要比第二部分的等式4.1中w要大很多，但兩個(gè)部分中的i和CPI接近相等的。i之所以相等是因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)的計(jì)算量差不相等的，CPI相等是因?yàn)镃PU的流水線是滿的，應(yīng)為這兩部分的操作需要相當(dāng)多的計(jì)算操作。因此，通過等式4.1，我們可以知道，第一部分的c要比第二部分的c要大很多。因?yàn)镃PU的時(shí)鐘是固定的，所以我們可以計(jì)算出第一部分是程序計(jì)算量最大的部分。 4.2.3 原則2：選擇數(shù)據(jù)依賴少的部分 選擇的這部分的代碼是符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)嗎？答案是符合。因?yàn)閷?duì)于每個(gè)目標(biāo)像素，它的數(shù)值完全地在來自Image2的4個(gè)像素，而且不影響其他目標(biāo)像素。這就意味著在流水線操作可以同時(shí)操作所有的目標(biāo)像素，這樣就對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性很小，相似性和導(dǎo)出計(jì)算也對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性很小，這樣是因?yàn)樗麄兪菑膶?duì)數(shù)據(jù)依賴性很小的目標(biāo)像素計(jì)算得到的。 4.2.4原則3：選擇消耗通信資源少的部分 由等式2.1知，是的一個(gè)部分。因此，不能很大也很重要。在前面的章節(jié)中提到， =w/b，這里b是要通信的數(shù)據(jù)被通信接口的帶寬分成字節(jié)數(shù)。要通信的數(shù)據(jù)量 w=I1+I2+cp+Tc(I2)+d+s 這里I1,I2是源圖像，cp是控制點(diǎn)數(shù)組，（I2）是被轉(zhuǎn)換的圖像，d是一個(gè)能確定中間結(jié)果的數(shù)組，s是一個(gè)能決定相似性的中間結(jié)果的數(shù)組，在最高的解析層次，每個(gè)像素的大小是512位*512位，有17*17的控制點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)也4位的x，y，每個(gè)控制點(diǎn)有6個(gè)8位的d數(shù)據(jù)。每個(gè)8位數(shù)據(jù)有5個(gè)s數(shù)據(jù)，因此總共要傳遞的數(shù)據(jù)有80256個(gè)字節(jié)，在Pilchard系統(tǒng)中，的64位100M的DIMM接口的帶寬是8*100MHZ=800MB/s，因此，是80256/80010241024s，這比0.001s還要小，對(duì)于RC1000，32位的PCI33的帶寬是433=132MB/s，因此，它的是80256/13210241024s，這個(gè)大約是0.01s。因?yàn)槌绦虻倪\(yùn)行時(shí)間通常是3s左右，因?yàn)槲覀兡芾^續(xù)執(zhí)行程序。