采用FPGA协处理器实现算法加速

设计实例
　　
图4所示的Mandelbrot图是一种经典的不规则几何图形，该图形广泛用在科学和工程学界用于仿真无序事件，例如天气。不规则图形也用于产生纹理和在视频显示应用上成像。Mandelbrot图像描述为自相似性。放大图形的局部，可以获得类似于整个图形的另外一个图形。

图4：Mandelbrot图

　　
Mandelbrot图形是硬件/软件协同设计的理想选择，因为它具有单个运算密集的函数。通过将关键的函数转移到硬件实现将大大地增加整个系统的速度，使这个关键函数更快。Mandelbrot应用还能清楚地区分硬件和软件进程，使用C-HDL工具很容易实现。
　　
本文使用CoDeveloper工具组作为C-HDL工具组用于该设计实例，而且只修改了软件Mandelbrot C程序以使其与C-HDL工具兼容。其中的改变包括：将软件项目分割成不同的进程(顺序执行的独立单元)；函数接口转换(硬件到软件)到流；增加编译器指令来对产生的硬件进行优化。我们随后使用CoDeveloper工具组来创建Pcore协处理器，将该协处理器输入到Xilinx Platform Studio(XPS)。利用XPS，我们将PC连接到PowerPC APU控制器接口，并测试系统。
　　
Xilinx公司的应用说明资料XAPP901中提供了该设计的全面描述和设计文件，并提供下载。同时，用户指南UG096提供一种实现设计实例的逐步设计指导。
　　
我们对Mandelbrot图像纹理问题、图像滤波应用和三倍DES加密的性能改善进行了测量。性能改善显示了从11倍到34倍的加速，在表2中做出了总结。

表2：通过协处理器加速器的算法加速性能对比

本文小结
　　
受功率、尺寸和成本的约束，你可能需要做出一个并非理想的处理器选择，通常所选择处理器性能比期望的性能低。当软件代码不能运行足够快时，协处理器代码加速器成为一种很有吸引力的解决方案。你可以在HDL中手动设计加速器或使用C-HDL工具自动将C代码转换成HDL。

使用Impulse C这样的C-HDL工具能使加速器运行更快且更简单。Virtex-4 FX FPGA具有两个嵌入式PowerPC，能实现处理器指令流水线到软件加速器之间紧密的连接。如上所述，关键的软件程序增加速度10倍到30倍，使300MHz的PowerPC提供等于或高于高性能GHz级处理器的性能。上面的实例每个只需要几天的时间来产生，显示了采用C-HDL流程的快速设计、实现和测试。