在設(shè)計(jì)大型FPGA信號處理系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師往往需要很長的仿真時(shí)間。FPGA設(shè)計(jì)工具(例如賽靈思的System Generator for DSP)通過提供穩(wěn)固的硬件在環(huán)路(hardware-in-the-loop)接口，允許用戶直接利用FPGA硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，從而解決仿真時(shí)間過長的問題。這些接口允許用戶利用硬件進(jìn)行部分設(shè)計(jì)仿真，從而在相當(dāng)程度上加快了仿真速度(通?？蛇_(dá)一個(gè)數(shù)量級或更多)。同時(shí)，利用硬件在環(huán)接口還使系統(tǒng)具備了實(shí)時(shí)FPGA硬件調(diào)試和驗(yàn)證功能。

System Generator for DSP提供適用于多種FPGA開發(fā)平臺的硬件在環(huán)路接口，這些平臺所提供的供PC機(jī)與FPGA硬件通訊的物理接口往往不同。例如，一個(gè)JTAG協(xié)同仿真接口就允許任何帶JTAG接頭的FPGA與賽靈思的FPGA在System Generator for DSP中進(jìn)行協(xié)同仿真。有些其它板卡(例如XtremeDSP開發(fā)套件)則通過PCI總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。到目前為止，仍然只有那些直接通過PCI或PCMCIA接口與PC機(jī)連接的開發(fā)板，能夠進(jìn)行存儲帶寬和數(shù)據(jù)吞吐量要求較高(例如視頻和圖像處理)的系統(tǒng)協(xié)同仿真。

通過以太網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同仿真

System Generator for DSP 8.1中包含一個(gè)新的以太網(wǎng)協(xié)同仿真接口，這個(gè)接口首次使賽靈思的ML402開發(fā)平臺具備了高帶寬協(xié)同仿真能力。ML402開發(fā)板可通過一根標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜直接與PC機(jī)連接，或通過網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)遠(yuǎn)程連接。

該接口的核心是賽靈思的三模以太網(wǎng)MAC核，支持10/100/1,000Mbps的半雙工和全雙工工作模式。當(dāng)設(shè)計(jì)人員通過使用以太網(wǎng)硬件協(xié)同仿真接口生成一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)，System Generator for DSP將自動(dòng)在設(shè)計(jì)周圍建立必要的邏輯，從而在仿真的過程中通過以太網(wǎng)連接與FPGA進(jìn)行通信(如圖1所示)。

你還可以雙擊任意一個(gè)設(shè)計(jì)的System Generator模塊打開它的參數(shù)配置對話框，從而生成一個(gè)用于以太網(wǎng)硬件協(xié)同仿真的設(shè)計(jì)。在編譯菜單下，選擇硬件協(xié)同仿真菜單下的ML402/以太網(wǎng)編譯選項(xiàng)。此時(shí)，我們可以在以太網(wǎng)協(xié)同仿真的兩種模式中選擇一種。



圖1：采用以太網(wǎng)硬件協(xié)同仿真接口的FPGA結(jié)構(gòu)框圖。

1. 基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同仿真

第一種模式是通過基于網(wǎng)絡(luò)的接口進(jìn)行協(xié)同仿真。有了基于網(wǎng)絡(luò)的接口，我們就可以對一個(gè)連接到標(biāo)準(zhǔn)IPv4網(wǎng)絡(luò)下的FPGA硬件進(jìn)行協(xié)同仿真。標(biāo)準(zhǔn)IPv4網(wǎng)絡(luò)如今幾乎無所不在，因此，基于網(wǎng)絡(luò)的接口就為我們提供了一種十分方便的方式，與一個(gè)連接到有線或無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程FPGA開發(fā)板進(jìn)行通訊。這種接口在后臺管理通訊和錯(cuò)誤處理(丟包重傳)的細(xì)節(jié)問題。System Generator for DSP則根據(jù)ML402開發(fā)板的IP地址決定在協(xié)同仿真時(shí)應(yīng)該與哪一個(gè)平臺通訊。

2. 點(diǎn)對點(diǎn)的協(xié)同仿真

第二種以太網(wǎng)協(xié)同仿真模式是一種點(diǎn)對點(diǎn)的接口，該接口使用原始的以太網(wǎng)幀來實(shí)現(xiàn)通過數(shù)據(jù)鏈路層與ML402板進(jìn)行高帶寬通訊。與基于網(wǎng)絡(luò)的接口相比，點(diǎn)對點(diǎn)接口注重的是一個(gè)本地以太網(wǎng)段上的底層通訊。協(xié)同仿真的數(shù)據(jù)通過一根直接將ML402板卡連接到PC的標(biāo)準(zhǔn)UTP以太網(wǎng)電纜傳輸，因此要求PC機(jī)上必須具備可用的以太網(wǎng)插口。

點(diǎn)對點(diǎn)接口支持千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，因而在配置成巨型幀(Jumbo Frame)時(shí)能夠充分支撐大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男阅?。采用這種接口之后，即便是對帶寬最密集的應(yīng)用也能進(jìn)行協(xié)同仿真。

器件配置

以上兩種以太網(wǎng)協(xié)同仿真接口均支持一種新的器件配置方法，即利用賽靈思的System ACE方案通過一根以太網(wǎng)電纜實(shí)現(xiàn)器件配置。配置過程與協(xié)同仿真采用相同的以太網(wǎng)連接，因而無需第二根編程電纜(例如賽靈思的Parallel Cable IV或Platform Cable USB)。ML402開發(fā)板上安裝了一塊CF卡，其中包含專用的引導(dǎo)載入程序(Boot-loader)鏡像，在上電時(shí)會自動(dòng)載入FPGA中。該鏡像允許在仿真開始時(shí)，利用由以太網(wǎng)電纜送來的新FPGA協(xié)同仿真位流重新配置FPGA。整個(gè)配置過程均由System Generator for DSP透明處理。

設(shè)計(jì)舉例

System Generator for DSP 8.1軟件工具中包含一個(gè)名為conv5×5_video_ex的5×5濾波器算子設(shè)計(jì)模型。該設(shè)計(jì)向我們展示了如何利用n抽頭的MAC FIR濾波器高效地實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維圖像濾波器。



圖4：用于DSP5×5濾波器運(yùn)算的系統(tǒng)發(fā)生器。



圖5：System Generator for DSP5×5中濾波器視頻流測試平臺



圖6：System Generator for DSP 5×5濾波器測試平臺的結(jié)果

該設(shè)計(jì)中還包含一個(gè)硬件協(xié)同仿真測試平臺，用于以實(shí)時(shí)幀速率通過其5×5內(nèi)核傳送一個(gè)循環(huán)視頻序列(Looped Video Sequence)。在每個(gè)仿真周期都有一個(gè)視頻幀被發(fā)送給FPGA進(jìn)行處理，每個(gè)視頻幀進(jìn)入FPGA后都會由一個(gè)5x5的內(nèi)核對其進(jìn)行濾波，然后將其送回PC，由Simulink分析。仿真過程中，兩個(gè)Simulink Matrix Viewer模塊顯示出未經(jīng)濾波和已經(jīng)濾波后的圖像，通過測試平臺的數(shù)據(jù)如圖2所示。



圖2：選用以太硬件協(xié)仿真作為系統(tǒng)發(fā)生器編輯類型。

基準(zhǔn)測試

以上這個(gè)5×5濾波器設(shè)計(jì)的例子是針對點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)硬件協(xié)同仿真進(jìn)行編譯的，并利用ML402開發(fā)板進(jìn)行協(xié)同仿真。我們對硬件仿真速度與軟件仿真速度進(jìn)行了比較。測試基準(zhǔn)特別考慮了每秒被讀回的已處理的幀數(shù)目，并將得到的結(jié)果與對單個(gè)幀進(jìn)行濾波操作所需的軟件仿真時(shí)間進(jìn)行比較。

圖3總結(jié)了與純軟件仿真相比，以太網(wǎng)協(xié)同仿真所實(shí)現(xiàn)的仿真加速。結(jié)果表明，仿真速度提高了大約50~1,000倍。在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中，仿真速度能夠提高的程度會隨設(shè)計(jì)復(fù)雜度、I/O口的個(gè)數(shù)以及I/O數(shù)據(jù)量等因素的不同而有所變化。圖3還反映了與以太網(wǎng)設(shè)置相關(guān)的另外兩個(gè)重要因素-鏈接速度與最大幀尺寸，這兩個(gè)因素也會影響協(xié)同仿真的性能。



圖3：指定ML402板的IP地址用于以太硬件協(xié)仿真。

隨著網(wǎng)絡(luò)連接速度不斷增快，仿真時(shí)間會急劇縮短，因?yàn)榭捎糜趥魉蛥f(xié)同仿真數(shù)據(jù)的帶寬將越來越大。由于千兆位連接允許出現(xiàn)巨型幀，因此通過增大最大幀尺寸還能進(jìn)一步提升協(xié)同仿真的性能，從而保證實(shí)現(xiàn)最高效率的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。

本文小結(jié)

System Generator for DSP的以太網(wǎng)硬件協(xié)同仿真接口為在ML402平臺上仿真視頻和圖像處理應(yīng)用提供了一個(gè)方便的高帶寬方案。有了這些接口，我們就可以仿真遠(yuǎn)程FPGA平臺，或者仿真一個(gè)通過以太網(wǎng)電纜直接連接到主PC機(jī)的開發(fā)板，從而提高仿真性能。利用SystemACE方案，還可以通過以太網(wǎng)連接進(jìn)行器件配置，省去了第二根編程電纜。從測試結(jié)果中我們可以看出，這類接口可將仿真速度提升幾個(gè)數(shù)量級。

作者：

Ben Chan

軟件工程師

ben.chan@xilinx.com

Nabeel Shirazi

高級軟件工程師

nabeel.shirazi@xilinx.com

Jonathan Ballagh

軟件工程師

jonathan.ballagh@xilinx.com

賽靈思公司