FPGA嵌入式系统中软件和硬件协同设计研究

FPGA嵌入式系统中软件和硬件协同设计研究

陈涛

哈尔滨信息工程学院  黑龙江  哈尔滨  150431

摘要:该研究主要集中在FPGA嵌入式系统软硬件协同设计的意义及实现途径。首先对FPGA嵌入式系统基础概念以及其对现代工业所起到的关键性作用进行说明，然后对软硬件协同设计对性能优化所产生的巨大作用进行分析。研究给出了以硬件和软件为对象的一系列分割决策问题，讨论了设计高层次抽象模型的效果，给出了接口设计和通讯优化的策略。最后对硬件加速器个性化定制及集成技术进行探讨，目的是为FPGA嵌入式系统提供一个综合设计框架及优化指南。

关键词:FPGA嵌入式系统；软硬件协同设计；性能优化

1.FPGA嵌入式系统中软件和硬件协同设计

1.1 FPGA嵌入式系统的概述与重要性

在当代电子工程的研究中,FPGA的嵌入式系统因其出色的灵活性和高效的计算性能而受到了广泛关注。FPGA技术使设计师可以从硬件层面定制并实现具体逻辑功能，从而使FPGA嵌入式系统可以面向多种应用场景快速灵活地调节。相对于传统微处理器,FPGA这种可重配置性带来了显着优势，尤其当需要自定义硬件加速具体应用算法时。FPGA嵌入式系统变得尤为重要，这来自于其在复杂算法与控制逻辑处理方面所表现出来的优异性能。在例如图像处理，数据加密和信号处理中，这类系统可以提供微处理器所不能比拟的计算速度。

1.2 软硬件协同设计对于系统性能优化的贡献

将软硬件协同设计方法应用于FPGA嵌入式系统是为了增强系统整体性能与效率。通过对软件与硬件的接口进行优化，同时在设计阶段充分考虑二者的相互影响，可明显降低资源浪费、提高数据处理速度、降低功耗。硬件与软件协同设计时，软件部分一般负责高层次决策与控制，硬件部分处理要求高速、并行计算的工作。这样的划分使得FPGA能够释放出强大的并行处理能力来完成复杂数据处理任务；CPU能够集中精力完成程序逻辑和管理系统资源。这样既能提高系统响应速度又能优化资源配置与利用。例如，在视频压缩的应用场景中，直接在FPGA上执行数据压缩算法的某些环节，能够显著提高处理速度并降低对CPU的负担。并且该软件能够实现压缩的数据管理与用户交互同步，保证系统灵活可用。该设计方法还具有可扩展性强等重要优点。在应用需求发生改变的情况下，通过软件更新而非对硬件进行彻底替换，该系统能够满足新挑战的要求，从而极大地延长FPGA嵌入式系统寿命。

2.FPGA嵌入式系统中软件和硬件协同设计

2.1 硬件/软件分割决策方法

FPGA嵌入式系统软硬件协同设计时，软硬件分割是非常关键的决策问题，涉及到系统功能被合理分割成硬件与软件。该决策对系统的性能，成本，功耗，可扩展性等方面都有着直接的影响。硬件一般承担完成时间上至关重要的工作，软件则承担提供灵活、易更新等功能。软硬件划分决策方法一般从系统需求综合分析入手。设计师有必要对应用性能要求，功耗限制，成本预算等进行深入了解。之后常用的方法是对性能进行建模与仿真来评价软硬件实现中不同功能的性能。性能建模能够揭示关键处理环节以及可能存在的瓶颈问题，从而为划分奠定基础。有时候设计团队使用基准测试或原型开发的方法进行辅助决策。将关键功能早期版本实现到实际FPGA平台中，可得到性能及资源消耗等真实信息。

2.2 高层次抽象模型的设计与模拟

在软硬件协同设计的框架下，设计和仿真高层次抽象模型是一个基本而又至关重要的活动。此类模型提供了一种方式，以较高的抽象层次描述系统的行为和功能，而不深入到具体的硬件或软件实现细节。该方法能加快设计过程和揭示设计早期阶段可能出现的问题。在高层次抽象模型设计过程中，设计者将利用SystemC,Matlab/Simulink以及其他一系列建模语言与工具使设计者能够迅速构建系统概念原型和验证功能。这些模型既能模拟系统并行性、事件驱动等特点，又能表示时间这一概念，从而使性能分析得以实现。通过模拟实验，设计团队有能力评估各种设计选项对系统性能，例如处理速度、带宽需求以及延迟等方面的具体影响。

2.3 接口设计与通信优化策略

接口设计是FPGA嵌入式系统的桥梁，承担着软硬件数据传输任务。一个有效的接口能够显著提高系统整体性能，特别适用于数据密集型的应用场合。为此在设计时需要综合考虑界面的数据带宽，延迟，同步机制和容错能力几个因素。通信优化策略是为了降低通信瓶颈和提高数据传输效率。其中一般包括对数据流与控制流进行优化，例如利用直接内存接入机制降低CPU数据传输负担、实现硬件组件间高速数据直接传输等。

2.4 硬件加速器的定制与集成     
基于FPGA的嵌入式系统硬件加速器定制和集成是增强具体应用性能的重要途径。硬件加速器从硬件层面完成计算密集型或延迟敏感任务能显着提高处理速度和减少能耗。硬件加速器设计从深入分析目标应用入手，明确加速需求及可能性。设计师需要确定可并行处理和受软件处理速度限制的计算任务。然后通过定制设计实现了上述功能在硬件逻辑上的映射。加速器的定制过程包括了算法的硬件描述语言的实现，这通常需要进行逻辑优化，以适应FPGA的资源限制。通过高效的逻辑设计与资源分配能够保证加速器既速度快又效率高。这一过程离不开查表优化，寄存器传输级设计以及时序分析。在硬件加速器研制过程中，集成环节又是一个非常重要的环节。加速器需要与系统内的其他组件，例如处理器、存储设备和外部设备等，协同工作。为了确保数据在加速器和其他系统组件之间能够高效地交换，我们需要设计一个高效的接口协议和通信机制。为集成过程提供充分的试验与验证环节至关重要。通过模拟器与原型板的功能验证与性能测试，保证了加速器实际运行的性能达到预期要求。

结束语

FPGA嵌入式系统软硬件协同设计关键技术与方法有机地结合在一起，既提供了一个理论研究的新视角，又为工业应用过程中解决实际问题提供了一条可行路径。通过从软硬件分割，高层抽象模型，接口设计和硬件加速器集成等方面进行深入讨论，本文在推动FPGA嵌入式系统设计不断创新，以期对今后设计实践起到扎实的理论支撑与技术指导作用。

参考文献

[1]冯深, 王景存, 黎佳亨. 基于FPGA和EC-01M的EtherCAT主站控制系统设计[J]. 仪表技术与传感器, 2022, (10): 52-56.

[2]刘百超. 基于FPGA的高速ZBT控制器设计[J]. 信阳农林学院学报, 2022, 32 (03): 107-113.