如何用FPGA实现算法的硬件加速

                                       表1：各种规模的数据模块下CRC算法测试比较结果。

2）.采用定制指令方法

CRC算法由连续的异或和移位操作构成，用很少的逻辑即可在硬件中简单实现。由于这一硬件模块仅需几个周期来计算CRC，采用定制指令来实现CRC计算要比采用外围电路更好。此外，无须涉及系统中任何其它外围电路或存储器。仅需要一个微处理器来支持定制指令即可，一般是指可配置微处理器。

当在硬件中实现时，算法应该每次执行16或32位计算，这取决于所采用的CRC标准。如果采用CRC-CCITT标准(16位多项式)，最好每次执行16位计算。如果使用8位微处理器，效率可能不太高，因为装载操作数值及返回CRC值需要额外的周期。图2示出了用硬件实现16位CRC算法的内核。

信号msg(15..0)每次被移入异或/移位硬件一位。列表3示出了在64KB数据模块上计算CRC的一些C代码例子。该实例是针对Nios嵌入式处理器。

列表3：采用定制指令的CRC计算C代码。

unsigned short crcCompute(unsigned short *data_block, unsigned int nWords)

{

unsigned short* pointer;

unsigned short word;

/*

* initialize crc reg to 0xFFFF

*/

word = nm_crc (0xFFFF, 1); /* nm_crc() is the CRC custom instruction */

/*

* calculate CRC on block of data

* nm_crc() is the CRC custom instruction

*

*/

for (pointer = data_block; pointer <(data_block + nWords); pointer ++)

word = nm_crc(*pointer, 0) return (word);

}

int main(void)

{

#define data_block_begin (na_onchip_memory)

#define data_block_end (na_onchip_memory + 0xffff)

unsigned short crc_result;

unsigned int data_block_length = (unsigned short *)data_block_end - (unsigned short

*)data_block_begin + 1;

crc_result = crcCompute((unsigned short *)data_block_begin,

data_block_length);

}

采用定制指令时，用于计算CRC值的代码是一个函数调用，或宏。当针对Nios处理器实现定制指令时，系统构建工具会生成一个宏。在本例中为nm_crc()，可用它来调用定制指令。

在启动CRC计算之前，定制指令内的CRC寄存器需要先初始化。装载初始值是CRC标准的一部分，而且每种CRC标准都不一样。接着，循环将为数据模块中的每16位数据调用一次CRC定制指令。这种定制指令实现方式要比逐位实现的方法快27倍。

3）.CRC外围电路方法

如果将CRC算法作为硬件外围电路来实现，并利用DMA将数据从存储器转移到外围电路，这样还可以进一步提高速度。这种方法将省去处理器为每次计算而装载数据所需要的额外周期。DMA可在此外围电路完成前一次CRC计算的时钟周期内提供新的数据。图3示出了利用DMA、CRC外围电路来实现加速的系统模块示意图。

在64KB数据模块上，利用带DMA的定制外围电路可获得比逐位计算的纯软件算法快500倍的性能。要知道，随着数据模块规模的增加，使用DMA所获得的性能也随之提高。这是因为设置DMA仅需很少的开销，设置之后DMA运行得特别快，因为每个周期它都可以传递数据。因此，若只有少数字节的数据，用DMA并不划算。

这里所讨论的所有采用CRC-CCITT标准(16位多项式)的算法都是在Altera Stratix FPGA的Nios处理器上实现的。表1示出了各种数据长度的测试比较结果，以及大致的硬件使用情况(FPGA中的存储器或逻辑单元)。

可以看出，算法所用的硬件越多，算法速度越快。这是用硬件资源来换取速度。

5 FPGA的优点

当采用基于FPGA的嵌入式系统时，在设计周期之初不必为每个模块做出用硬件还是软件的选择。如果在设计中间阶段需要一些额外的性能，则可以利用FPGA中现有的硬件资源来加速软件代码中的瓶颈部分。由于FPGA中的逻辑单元是可编程的，可针对特定的应用而定制硬件。因此，仅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板级变动(前提是FPGA中的逻辑单元足够用)。设计者不必转换到另一个新的处理器或者编写汇编代码，就可做到这一点。

使用带可配置处理器的FPGA可获得设计灵活性。设计者可以选择如何实现软件代码中的每个模块，如用定制指令，或硬件外围电路。此外，还可以通过添加定制的硬件而获取比现成微处理器更好的性能。

另一点要知道的是，FPGA有充裕的资源，可配置处理器系统可以充分利用这一资源。

算法可以用软件，也可用硬件实现。出于简便和成本考虑，一般利用软件来实现大部分操作，除非需要更高的速度以满足性能指标。软件可以优化，但有时是不够的。如果需要更高的速度，利用硬件来加速算法是一个不错的选择。

FPGA使软件模块和硬件模块的相互交换更加简便，不必改变处理器或进行板级变动。设计者可以在速度、硬件逻辑、存储器、代码大小和成本之间做出折衷。利用FPGA可以设计定制的嵌入式系统，以增加新的功能特性及优化性能。