面向FPGA的ESL工具

邏輯設(shè)計(jì)領(lǐng)域正在發(fā)生根本變化。新一代設(shè)計(jì)工具幫助軟件開(kāi)發(fā)者將其算法表達(dá)直接轉(zhuǎn)換成硬件，而無(wú)需學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)。

這些工具及相關(guān)設(shè)計(jì)方法學(xué)一起被歸類(lèi)為電子系統(tǒng)級(jí) (ESL) 設(shè)計(jì)，廣泛地指從比目前主流的寄存器傳輸級(jí) (RTL) 更高的抽象級(jí)別上開(kāi)始的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法學(xué)。與硬件語(yǔ)言如 Verilog 和 VHDL比起來(lái)，ESL 設(shè)計(jì)語(yǔ)言在語(yǔ)法和語(yǔ)義上與流行的 ANSI C 比較接近。

ESL 與 FPGA 有何關(guān)系？

ESL 工具已經(jīng)存在了一段時(shí)間，而許多人覺(jué)得這些工具主要專注于 ASIC 設(shè)計(jì)流程。然而事實(shí)上，越來(lái)越多的 ESL 工具提供商正在專注于可編程邏輯；目前，市場(chǎng)上有多種工具支持專為賽靈思® FPGA 而優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。ESL 流程是對(duì) FPGA 設(shè)計(jì)工具的一種自然演進(jìn)，可以使更多和更廣泛以軟件為中心的用戶群更容易地使用可編程硬件的靈活性。

我們來(lái)考慮一些由 ESL 和 FPGA 構(gòu)成重大組合的情景：

1. ESL 工具和可編程硬件一起構(gòu)成一個(gè)基于桌面的硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境，符合軟件開(kāi)發(fā)者的工作流程模型。工具可提供針對(duì)特定的基于FPGA 的參考板的優(yōu)化支持，軟件開(kāi)發(fā)者可以利用這些支持啟動(dòng)項(xiàng)目評(píng)估或原型構(gòu)建。這些板及相應(yīng)的參考應(yīng)用程序均使用更高級(jí)別的語(yǔ)言編寫(xiě)，這使創(chuàng)建定制的、硬件加速的系統(tǒng)更為快速和容易。實(shí)際上，現(xiàn)在軟件程序員能夠以使用微處理器參考板及工具大體相同的方式，使用基于 FPGA 的參考板及工具。

2. 通過(guò)使用現(xiàn)在FPGA 中已很普遍的高性能嵌入式處理器，軟件和硬件設(shè)計(jì)組件可以裝入到一個(gè)器件中。從系統(tǒng)的軟件描述開(kāi)始，您可以根據(jù)應(yīng)用程序的性能要求，將每個(gè)設(shè)計(jì)塊用硬件或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。ESL 工具支持智能分割和軟件功能到等效硬件功能的自動(dòng)導(dǎo)出，從而增加了價(jià)值。
ESL 提升了“探測(cè)式設(shè)計(jì)和優(yōu)化”的概念。ESL 方法學(xué)與可編程硬件的結(jié)合使用，使嘗試大量可能的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)以及對(duì)極大不同的軟件/硬件分割策略快速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成為可能。這種實(shí)驗(yàn)的能力——嘗試新方法和快速分析性能與尺寸平衡——使 ESL/FPGA 用戶能夠比使用傳統(tǒng)的 RTL 方法以更短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)更高的總體性能。

此外，通過(guò)在更抽象的級(jí)別上工作，您可以使用更少的擊鍵和更少的代碼行來(lái)表達(dá)您的意圖。這通常意味著快得多的設(shè)計(jì)完成，和更少的犯錯(cuò)機(jī)會(huì)，而這些錯(cuò)誤將需要繁雜的、低級(jí)調(diào)試。

　　ESL 的目標(biāo)受眾

ESL 流程對(duì)預(yù)期 FPGA 用戶的主要好處是其生產(chǎn)率和易用性。通過(guò)將產(chǎn)生硬件電路的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行抽象，這些工具向以軟件為中心的用戶群（圖 1）發(fā)出了召喚。在更高的抽象級(jí)別上工作，使擁有 C 語(yǔ)言等傳統(tǒng)軟件編程語(yǔ)言技能的設(shè)計(jì)者能夠更快地以硬件探究其想法。在大多數(shù)情況下，您可以無(wú)需經(jīng)驗(yàn)豐富的硬件設(shè)計(jì)者的幫助而完成整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)。

以軟件為中心的應(yīng)用程序和算法開(kāi)發(fā)者已將該方法的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于 FPGA，他們包括系統(tǒng)工程師、科學(xué)家、數(shù)學(xué)家、和嵌入式與固件開(kāi)發(fā)者。
適合 ESL 方法學(xué)的應(yīng)用程序的特征包括具有大量?jī)?nèi)循環(huán)的計(jì)算密集型算法。這些應(yīng)用程序可以通過(guò)硬件中的并發(fā)并行執(zhí)行實(shí)現(xiàn)巨大加速。ESL 工具已在音頻/視頻/圖像處理、加密、信號(hào)與分組處理、基因排列、生物信息、地球物理和天體物理等應(yīng)用領(lǐng)域成功幫助進(jìn)行了項(xiàng)目部署。

　　ESL 設(shè)計(jì)流程

與 FPGA 相關(guān)的 ESL 工具包含兩個(gè)主要設(shè)計(jì)流程：

1. 高級(jí)語(yǔ)言 (HLL) 綜合。HLL 綜合覆蓋算法或行為綜合，可從 C 或C類(lèi)的軟件語(yǔ)言生成硬件電路。各種合作伙伴解決方案采用不同的方法將高級(jí)設(shè)計(jì)描述轉(zhuǎn)換為 FPGA 實(shí)現(xiàn)。如何完成這一點(diǎn)構(gòu)成了各種 ESL 產(chǎn)品之間的根本不同。

您可以將 HLL 綜合用于各種應(yīng)用情況，包括：

• 模塊生成。在這種使用模式下，HLL 編譯器可以將以 C 表示的功能塊（例如一個(gè) C 子程序）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的硬件塊。生成的硬件塊隨后被收入整個(gè)硬件/軟件設(shè)計(jì)。這樣，HLL 編譯器生成了整個(gè)設(shè)計(jì)的一個(gè)子模塊。

模塊生成通過(guò)快速生成，然后集成算法硬件組件，允許軟件工程師參與整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。那些尋求以更快的方式構(gòu)建新的、以計(jì)算為導(dǎo)向的硬件塊的硬件工程師們，也可以使用模塊生成。

• 處理器加速。在這種使用模式下，HLL 編譯器允許通過(guò)在 FPGA 的可編程結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建定制加速器塊，來(lái)加速在處理器中運(yùn)行的時(shí)間關(guān)鍵功能或瓶頸功能。 除創(chuàng)建加速器外，這些工具還可以自動(dòng)推斷存儲(chǔ)器并生成所需的硬件-軟件接口電路，以及實(shí)現(xiàn)處理器與硬件加速器塊之間通信的軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（圖 2）。