典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員在硬件平臺上進(jìn)行編程,，他們最關(guān)注的一點就是硬件平臺的穩(wěn)定性,。如果硬件沒有設(shè)置好，會帶來重新編寫代碼的麻煩,。但是一個完全設(shè)置好的穩(wěn)定的硬件平臺還是會對其上運行的程序有一系列的限制,。這些限制 - 無論是設(shè)計結(jié)果，還是一個完全的缺陷 - 都會造成在編碼時需要迂回處理甚至重新返工的情況,，給設(shè)計實現(xiàn)帶來麻煩,，并且耗費了大量的時間。

通過將FPGA平臺和一個精心設(shè)計的多核方法結(jié)合在一起,，開發(fā)人員就能以下列這種方式實現(xiàn)高性能分組處理應(yīng)用：軟件工程師能夠?qū)τ嬎闫脚_的結(jié)構(gòu)有所控制,，從而大大縮短編程時間，同時降低延期交付風(fēng)險,。

硬件設(shè)計流程的主要工作就是定義一塊電路板,。像存儲器類型、總線協(xié)議和I/O這樣的基本組件已被預(yù)先定義,。

如果只使用一個固定的處理器,，那它也是預(yù)先定義好的。但是,，單個處理器無法運行需要吉比特性能的算法（例如分組處理算法）,，此時就需要多個處理器協(xié)同工作。

構(gòu)建一個處理構(gòu)造塊的最佳方法取決于所運行的軟件。使用FPGA來進(jìn)行處理,，就能使你在對代碼需求有了進(jìn)一步了解后,，再對精確的實現(xiàn)方式做出明確的決策。全新的Tejia FP平臺在Xilinx® VirtexTM - 4 FPGA上提供了一種方法和多核基礎(chǔ)設(shè)施,，使開發(fā)人員在完成代碼編寫后,，對多核架構(gòu)進(jìn)行精確的配置。

當(dāng)軟件工程師設(shè)計硬件時

硬 件和軟件設(shè)計是兩種本質(zhì)上不同的工作,。無論硬件設(shè)計語言多么像一個軟件,，它進(jìn)行的仍然是硬件設(shè)計。硬件語言對結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義,，并且設(shè)計流程最終要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的 實體化,。但是，軟件工程師正越來越多地使用C編程技術(shù)來設(shè)計系統(tǒng)功能,；現(xiàn)有的工具支持使用軟件或硬件方法來設(shè)計系統(tǒng)功能,。

軟件實現(xiàn)的方法 更偏向于過程導(dǎo)向。它考慮的是“如何去做”而不是“構(gòu)建什么”的問題,，因為從傳統(tǒng)觀點來看,，已經(jīng)不需要再構(gòu)建什么了 - 硬件都已經(jīng)被構(gòu)建好了。在真正基于軟件的設(shè)計方法中,，關(guān)鍵的功能不是被構(gòu)建到一種結(jié)構(gòu)中去,，而是在一個已經(jīng)構(gòu)建好的系統(tǒng)中被結(jié)構(gòu)執(zhí)行的。靈活性是基于軟件 的實現(xiàn)方法的優(yōu)勢：在系統(tǒng)出廠后仍能快捷地對其進(jìn)行改變,。雖然FPGA也能現(xiàn)場編程,，但改變軟件設(shè)計要比構(gòu)建硬件快捷地多。

由于硬件和軟 件設(shè)計存在著差異,，因此硬件和軟件的設(shè)計者所考慮的問題是不同的,。硬件工程師不可能只通過改變編程語言的語法，就能轉(zhuǎn)變成軟件工程師,。反之,，軟件工程師也 不可能因為硬件設(shè)計中需要軟件的參與，就能轉(zhuǎn)變成硬件工程師,。因此,，不能輕率地就讓軟件工程師加入到處理架構(gòu)的設(shè)計中來。

此外,，硬件工程師,、軟件工程師或項目經(jīng)理都不會同意將一個基于硬件方法的設(shè)計交給一位軟件工程師去完成。軟件工程師做出關(guān)于硬件的決定時所使用的方法,，極有可能得到熟悉類似編程語言的另一位軟件工程師的認(rèn)同,。

如圖1所示,，并行流水線是多核分組處理引擎中處理架構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。這一引擎由一個處理器陣列加上可能存在的硬件加速器構(gòu)成,?；卮鹆讼旅孢@些問題，就等于完成了一個設(shè)計流程：

需要多少個處理器,？

應(yīng)該如何安排這些處理器,？

每個處理器需要處理多少代碼和存儲多少本地數(shù)據(jù),？

代碼的哪些部分需要硬件加速

讓我們來逐一回答這些問題,，從而為軟件工程師“組裝”出一套設(shè)計方法。

處理器的數(shù)量和配置

所 需處理器的數(shù)量可以通過對周期預(yù)算和執(zhí)行代碼所需的周期數(shù)進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)計算得出,。當(dāng)你要在規(guī)定的時間內(nèi)完成工作時,，周期預(yù)算就成為一個關(guān)鍵的參數(shù)。例如 進(jìn)行分組處理時,，數(shù)據(jù)位置進(jìn)行劃分,。這樣，就能夠圍繞劃分的情況來進(jìn)行硬件設(shè)計,，而不用根據(jù)硬件來進(jìn)行劃分,。軟件工程師如何進(jìn)行設(shè)計是一個關(guān)鍵問題。 Teja中集成了一組API和一個處理工具,，可以用ANSI C來定義硬件平臺,。此工具可執(zhí)行程序，創(chuàng)建處理平臺的定義,，這些定義能夠被Xilinx嵌入式工具進(jìn)行處理,。API組的內(nèi)容十分豐富，并且能夠在很靠底的 硬件層次上進(jìn)行控制,，但大多數(shù)軟件工程師不希望使用它們,。因此，Teja中還使用參數(shù)化的方式加入了一個“典型的”流水線定義的方法,。要實現(xiàn)上述示例中的 流水線,，只需要在配置頭文件中修改兩個簡單的#define陳述式。

下面的陳述式定義了一個兩級的流水線,，在第一級使用了4個引擎,，在第 二級使用了2個引擎：圖1 - 并行的流水線，每個引擎由一個MicroBlaze處理器,、專用存儲器和可選的減負(fù)器構(gòu)成,。包不停地到來，而你在下一個數(shù)據(jù)包到來之前,，只有那么多周期來 完成你的工作,。如果你的代碼需要更長的時間來執(zhí)行,，那么就需要添加更多的處理器。例如,，如果周期預(yù)算是100個周期,，而代碼執(zhí)行需要520個周期，那么你 就需要6個處理器（520除以100,，然后進(jìn)位到整數(shù)）,。你可以對處理器數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，但必須滿足預(yù)算的要求,。使用Teja工具時,，可以通過分析來確定周 期數(shù)。

下一個問題是如何安排這些處理器,。處理這一問題最簡單的辦法就是確定你是否需要劃分代碼,，來創(chuàng)建一個流水線。流水線使用較少的硬件 資源,，但會增加等待時間,。如果你需要對代碼進(jìn)行劃分，最好選擇在一個明顯的位置（自然和直觀的位置）進(jìn)行,。而沒有必要計算出周期中點精確的位置,。



圖1 - 并行的流水線，每個引擎由一個MicroBlaze處理器,、專用存儲器和可選的減負(fù)器構(gòu)成,。

假 設(shè)你要用6個處理器構(gòu)成一個兩級流水線。那么你現(xiàn)在就需要計算出每一級所需的處理器的數(shù)量,；先通過分析來確定每個劃分的周期數(shù),，如后再用它去除以周期預(yù) 算，就可以得到每一級所需的處理器的數(shù)量,。,。因此，如果第一個劃分需要380個周期,，則它需要4個處理器,；這樣第二級就需要140個周期，從而需要兩個處 理器,。（兩個劃分所需的周期數(shù)之和實際上不一定正好等于未劃分的程序所需的周期數(shù),，但會非常接近，因此在這里可以近似看作相等,。）因此,，這個兩級的流水線 的第一級需要4個處理器，第二級需要2個處理器,。如果有足夠的邏輯資源,，使用Xilinx MicroBlazeTM軟核,，就能夠?qū)嶓w化任何這樣的流水線。

相比較而言,，在一個固定的流水線結(jié)構(gòu)中,，每一級的處理器數(shù)量都已經(jīng)預(yù)先確 定。因此就只能強制使用一種專門的劃分方法,，實現(xiàn)這一劃分就會需要相當(dāng)長的時間,。相反地，如果每一級使用的處理器數(shù)量不同,，流水線就可以定制,，并且可以是 不規(guī)則的。因此能夠從任何位置進(jìn)行劃分,。這樣,，就能夠圍繞劃分的情況來進(jìn)行硬件設(shè)計,，而不用根據(jù)硬件來進(jìn)行劃分,。

軟件工程師如何進(jìn)行設(shè)計是 一個關(guān)鍵問題。Teja中集成了一組API和一個處理工具,，可以用ANSI C來定義硬件平臺,。此工具可執(zhí)行程序，創(chuàng)建處理平臺的定義,，這些定義能夠被Xilinx嵌入式工具進(jìn)行處理,。API組的內(nèi)容十分豐富，并且能夠在很靠底的 硬件層次上進(jìn)行控制,，但大多數(shù)軟件工程師不希望使用它們,。因此，Teja中還使用參數(shù)化的方式加入了一個“典型的”流水線定義的方法,。要實現(xiàn)上述示例中的 流水線,，只需要在配置頭文件中修改兩個簡單的#define陳述式。

下面的陳述式定義了一個兩級的流水線,，在第一級使用了4個引擎,，在第二級使用了2個引擎：

#define PIPELINE_LENGTH 2

#define PIPELINE_CONFIG {4,2};

由上述陳述式和預(yù)設(shè)的配置程序，TejaCC程序就能構(gòu)建出流水線,。當(dāng)然,，無論由于什么原因使得流水線的配置需要發(fā)生改變時，只要使用與上面相似的方法進(jìn)行編輯即可,。

存儲器

第 三個問題跟所需的存儲器數(shù)量有關(guān),。在一個典型的系統(tǒng)中，所能存儲的代碼和數(shù)據(jù)的數(shù)量是固定的,。如果你的設(shè)計沒有滿足這一要求,，就需要做大量的工作來將多出 的內(nèi)容壓縮到存儲空間中,。但是在使用FPGA時，只要所需存儲器的數(shù)量在芯片所能提供的范圍之內(nèi),，就能夠按照實際需要為每個處理器分配存儲空間,。在更典型 的情況下，所有的存儲空間的大小都相同（由于每個塊的最小容量為2k,，這就限制了進(jìn)行微調(diào)的程度）,。



圖2 - 配置并行流水線的流程

代碼編譯時提供所需存儲器的大小，并且可以使用下面的陳述式來編輯配置頭文件,，在這個示例中為代碼和數(shù)據(jù)存儲分配的存儲空間均為8KB：

#define CPE_CODE_MEM_SIZE_KB 8

#define CPE_DATA_MEM_SIZE_KB 8

使用減負(fù)器來加快處理速度
第四個問題和創(chuàng)建硬件加速器有關(guān),。可能有一部分程序會占用太多的周期,。要減少周期就需要更多的處理器,，而使用硬件加速器就能減少處理器的數(shù)量。只要硬件加速器比其所替代的處理器占用更少的門,，就能夠減少整個硬件實現(xiàn)的面積,。

Teja有一項功能就是用來從代碼中直接創(chuàng)建這樣的加速器或減負(fù)器。通過對程序進(jìn)行注釋,，此功能就可創(chuàng)建：

實現(xiàn)代碼的硬件邏輯

通過系統(tǒng)接口在處理器基礎(chǔ)設(shè)施中添加加速器

調(diào)用原型替換程序中最初的代碼

在將減負(fù)器集成于系統(tǒng)之前,，先使用測試臺對其進(jìn)行驗證。

一旦創(chuàng)建了減負(fù)器,，周期數(shù)就會減少,，因此你需要重新安排處理器。但由于重新定義流水線結(jié)構(gòu)的操作十分方便,，因此這是一項很簡單的任務(wù),。

一個簡單直接的方法

將前面所述的步驟組合在一起，就產(chǎn)生了圖2中所示的設(shè)計流程,。你可以先定義減負(fù)器（對于明顯需要減負(fù)器的任務(wù)）,，或在配置好流水線之后再定義減負(fù)器（如果現(xiàn)有的代碼使用了太多的處理器）。

軟件工程師所能控制的是一些在他們看來自然和簡單的參數(shù),，這里使用自然的軟件語言（ANSI C）來表達(dá)這些參數(shù),。對硬件進(jìn)行實體化的所有細(xì)節(jié)都由TejaCC程序來處理，它會為Xilinx嵌入式開發(fā)系統(tǒng)（EDK）創(chuàng)建一個項目,。剩下的編譯/綜合/布局/布線和產(chǎn)生比特流以及鏡像代碼的工作全都由EDK來完成,。

在 這種方式下，電路板可以由硬件工程師設(shè)計,，但通過使用FPGA,，硬件工程師能夠?qū)⒆罱K的實現(xiàn)中硬件配置的關(guān)鍵部分，留給軟件設(shè)計者去完成,。這一方法還支持 在設(shè)計即將完成時對電路板進(jìn)行改動（例如,，由于性能原因要對存儲器的類型和容量進(jìn)行改動）,。由于Teja工具能創(chuàng)建FPGA的硬件定義，其中包括存儲器控 制器和其他外設(shè),，因此設(shè)計人員可以輕松地調(diào)節(jié)電路板,。最終的結(jié)果是，由于硬件實現(xiàn)可以適應(yīng)軟件的變化,，因此軟件設(shè)計者不再需要花費大量的時間來圍繞一個固 定的硬件設(shè)置編寫程序,。

通過利用靈活的Virtex -4 FPGA和MicroBlaze核，Teja FP環(huán)境和基本結(jié)構(gòu)使得所有這一切都變成了可能,。有了這一強大的工具,，你就能夠?qū)㈤_發(fā)周期縮短幾周甚至幾個月。

Teja還提供了一些高級應(yīng)用程序,，這些應(yīng)用程序能用來啟動一個項目,，并減少所需的工作量。將一個靈活省時的設(shè)計方法和一個事先定義好的應(yīng)用程序結(jié)合起來使用,，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制造者就能更快地完成他們的設(shè)計,。