基于Xilinx FPGA的硬件协处理器设计

张强　王华　苏宏锋　闫晓茹

摘要：DSP+FPGA模式具有结构复杂、成本高以及资源浪费比较严重的缺点，基于FPGA的软硬件协同设计已成为DSP+FPGA的理想替代方案。FPGA软硬件协同系统中，硬件协处理器的高效设计尤其重要。Xilinx 提供了三种硬件协处理器设计方法：HDL语言+IP核，System Generator和HLS（High-Level Synthesis）。鉴于HDL语言描述算法能力有限，重点研究了后两种硬件设计方式。在实验环节选取Sobel边缘提取算法，并用System Generator和HLS加以实现。最终结果说明，这两种新颖的设计方式具有设计效率高、能够实现较复杂算法以及加速仿真和验证的优越特性。

关键词：FPGA；硬件协处理；System Generator；HLS

中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0173-02

1 引言

DSP+FPGA的结构具备一定的灵活性和通用性，能够满足实时性要求。但也具有结构复杂、成本较高以及资源浪费严重的缺点[1]。基于FPGA的软硬件协同设计具有结构紧凑、设计灵活、硬件资源利用率高以及成本较低的优势。

FPGA利用任务内部的并行机制和自定义大小的存储器，能够为每一个计算任务优化数据路径，从而获得很高的计算能力[2]。除此之外，FPGA能提供一种机制保证任务的确定执行，具有很好的实时处理能力[3]。由此可见，硬件实现算法具有计算能力强和实时性高的两大优势。软硬件协同系统中，硬件协处理器的高效设计对系统性能指标影响巨大。

由于HDL语言只是针对硬件描述的，对于算法表达、仿真和验证并不方便，与C语言等高级语言相比，可靠性也较差[4]。这些不足严重妨碍了软硬件协同系统的实现与性能。本文針对System Generator和HLS两种高层次综合设计方法，设计了Sobel算法硬件协处理器。实验结果表明：System Generator和HLS能够更高效完成硬件协处理器的设计，加速复杂算法的硬件实现、仿真和验证。

2 Sobel边缘提取算法

Sobel算子是用于水平和垂直边缘检测的简单检测子，能够很好的处理灰度渐变和噪声多的图像。具体实现是两个模板gx和gy与图像中的每一个像素进行卷积。Sobel算子3*3模板如下：

S（x，y）=[gi（x-1，y-1）+2gi（x-1，y）+gi（x-1，y+1）]

-[gi（x+1，y-1）+2gi（x+1，y）+gi（x+1，y+1）]

+[gi（x-1，y-1）+2gi（x，y-1）+gi（x+1，y-1）]

-[gi（x-1，y+1）+2gi（x，y+1）+gi（x+1，y+1）] （2）

由于算法需对每一个像素进行处理，且本身较简单以及计算重复性高，适合采用流水线并行的方式进行硬件实现。Sobel算法流程图如图1。

3 System Generator与HLS实现

硬件协处理器设计所需模块[5]：From Workspace、To Workspace、Gateway in、Gateway out、System Generator模块、共享存储器、Subsystem模块、MCode、EDK Processor以及Resource Estimator模块等。

由图2所示，在Simulink中搭建软硬件协同设计的最终模型，其中深色模块是Sobel算法子系统，里面封装了具体的实现。Sobel子系统分为4个模块，采用全流水线方式：分别是3行缓冲模块、X/Y方向梯度运算模块、绝对值相加和二值化模块。最后，选择HDL Netlist编译类型，生成HDL文件。

基于HLS的设计主要分为：语言选择、接口设计、算法设计以及程序优化设计等内容。本文选择C++语言实现Sobel算法，硬件接口采用ap_fifo方式，对应总线AXI4-Stream。

算法分为：3行缓冲器、窗口缓冲器、滤波函数等模块。在本例中，采用了循环优化Pipelining和Dependence指令，消除行缓存器的数据依赖性，使循环结构实现流水线处理。运用Inlining优化指令，解除了函数的不同层次问题，减少延迟和增加吞吐量。最后选择EDK Pcore导出方式。除了生成硬件接口模块以外，还会自动生成驱动模板。

4 实验与测试结果分析

实验选择Zynq XC7Z020-1CLG484器件进行仿真。器件内嵌双ARM Cortex A9硬核，主频高达667MHz，主要用于软硬件协同领域。仿真测试的图像大小1080*1920，BMP格式。

系统的仿真结果如图3所示。其中图3（a）为原图，图3（b）为处理参照图，图3（c）为System Generator仿真结果图，图3（d）为HLS仿真结果图。

时序仿真波形如图4、5所示。两种设计工具都提供了TestBench的自动生成，其中System Generator采用ISim仿真，HLS采用Modelsim进行仿真。

由仿真时序图和表1可知，System Generator流水线的初始化间隔小于HLS，这是因为数据路径规划不同造成的。

由表2可知，综合后HLS逻辑资源消耗虽然多一些，但算法执行速度得到提升。

由上可知，System Generator能够对数据路径进行直观的规划，方便并行处理和流水线实现，但其接口设计能力明显较弱，只提供基于系统总线的接口；HLS通过接口优化和算法优化指令隐藏了综合的具体实现，流水线实现简单，且支持AXI-Stream和DMA接口，但数据路径规划不直观。实际中，System Generator可以通过优化数据路径、添加输入输出寄存器和改变运算模块的实现方式（如采用DSP48硬核）改善协处理器性能。HLS可以通过改变程序结构、优化高层次综合指令的组合方式实现。

5 结语

软硬件协同系统中，硬件协处理器的高效设计是提升系统性能的关键。本文通过Sobel算法实例，对基于System Generator和HLS的硬件协处理器设计进行详细的介绍。仿真结果表明：两种设计方式各有优劣，共同的优点是：易于进行系统级设计、仿真和验证，克服了采用HDL语言描述算法的不方便性，都能够实现较复杂的算法；缺点为：System Generator的接口设计能力不足；HLS的数据路径的规划不直观。

参考文献

[1]沈淦松，叶玉堂，刘霖，刘娟秀. FPGA软硬件协同处理实时图像处理系统[J].光电工程，2012，39（10）：143-150.

[2]Carlos González，Daniel Mozos， Javier Resano，et al. FPGA Implementation of the N-FINDR Algorithm for Remotely Sensed Hyperspectral Image Analysis[J]. IEEE Transaction On Geoscience And Remote Sensing， 2012，50（2）：374-388.

[3]Sebastian Lopez，Tanya Vladimirova，Carlos Gonza′lez，Javier Resano，et al. The Promise of Reconfigurable Computing for Hyperspectral Imaging Onboard Systems：A Review and Trends[J]. Proceedings of the IEEE， 2013， 101（3）：698-722.

[4]夏宇闻.Verilog 数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[5]罗婷婷，王厚军，曾浩.基于System Generator的插值滤波器的FPGA实现[J].电子质量，2009（10）：21-23.