C语言与硬件描述语言(HDL)协同设计：使用C语言进行FPGA编程与SystemVerilog接口（三）_systemverilog fft

目录

一、案例分析

案例一：图像滤波器

案例二：快速傅里叶变换（FFT）器

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一、案例分析

具体应用案例：

本节将介绍两个具有代表性的C-to-FPGA设计案例，分别是图像滤波器和快速傅里叶变换（FFT）器。这两个案例分别代表了典型的数字信号处理（DSP）应用和数学运算密集型应用，展示了C-to-FPGA设计思路、代码实现、接口定义以及协同设计过程。

案例一：图像滤波器

设计思路： 设计一个基于C代码的二维卷积核（如Sobel边缘检测滤波器）应用于图像处理，通过C-to-HDL编译器将其转化为硬件加速器，实现高效的实时图像滤波。

C语言代码实现：

#define KERNEL_SIZE 3
int sobel_filter(int img[H][W], int out[H][W]) {
    int Gx[KERNEL_SIZE][KERNEL_SIZE] = {{-1, 0, 1}, {-2, 0, 2}, {-1, 0, 1}};
    int Gy[KERNEL_SIZE][KERNEL_SIZE] = {{-1, -2, -1}, {0, 0, 0}, {1, 2, 1}};
    
    for (int i = KERNEL_SIZE/2; i < H - KERNEL_SIZE/2; ++i) {
        for (int j = KERNEL_SIZE/2; j < W - KERNEL_SIZE/2; ++j) {
            int gx = 0, gy = 0;
            for (int ki = 0; ki < KERNEL_SIZE; ++ki) {
                for (int kj = 0; kj < KERNEL_SIZE; ++kj) {
                    gx += img[i + ki - KERNEL_SIZE/2][j + kj - KERNEL_SIZE/2] * Gx[ki][kj];
                    gy += img[i + ki - KERNEL_SIZE/2][j + kj - KERNEL_SIZE/2] * Gy[ki][kj];
                }
            }
            out[i][j] = sqrt(gx * gx + gy * gy);
        }
    }
    return 0;
}

上述C代码实现了Sobel边缘检测滤波器，通过计算图像像素点周围3x3邻域内像素与卷积核的乘积累加得到梯度值，最后取梯度模长作为输出。

SystemVerilog接口定义：

interface sobel_filter_intf (
    input logic clk,
    input logic rst_n,
    input logic [7:0] img_data[H-2][W-2],
    output logic [7:0] filtered_data[H-2][W-2]
);
 
// Control signals for streaming interface
logic start, done;
 
// Internal signals for pipelining and buffering
logic [7:0] img_buffer[H-2][W-2];
 
// ... additional signals for internal control and synchronization ...
 
endinterface

接口定义了图像数据输入和滤波后数据输出的信号，同时包含启动（start）和完成（done）信号，用于控制整个滤波器的工作流程。内部还定义了缓冲区和控制信号，以支持流水线化和数据同步。

协同设计过程：

1. 使用C-to-HDL编译器（如Vivado HLS）对C代码进行编译，生成HLS描述文件（.prj）和SystemVerilog模块。
2. 在HLS工具中设置优化策略（如流水线、资源平衡、数据复用等），进行综合和性能分析。
3. 定义合适的时序约束，确保设计满足系统时钟频率要求。
4. 使用HDL综合器（如Vivado Synthesis）将HLS生成的SystemVerilog模块综合为门级网表。
5. 进行功能仿真和时序仿真，验证设计功能正确性及时序收敛。
6. 将综合后的设计导入FPGA开发工具，进行布局布线、时序签核、生成比特流文件。
7. 下载比特流到FPGA板卡，进行硬件验证，确保实际运行效果符合预期。

设计结果与优化策略：

• **资源利用率：**初步设计可能占用较多LUTs、BRAMs和DSPs，通过优化C代码（如减少分支、循环展开、数据预加载等）、调整HLS参数（如流水线深度、数据宽度等）可以降低资源消耗。
• **性能指标：**关注帧率（FPS）、延迟（Latency）、吞吐量（Throughput）等。通过增加流水线级数、采用乒乓双缓冲、并行处理多个像素等方式提高处理速度。
• **功耗：**通过降低工作频率、合理分配逻辑资源、关闭闲置模块等方式降低功耗。

案例二：快速傅里叶变换（FFT）器

设计思路： 实现基于C代码的Radix-2 Cooley-Tukey FFT算法，通过C-to-HDL编译器将其转化为硬件加速器，用于高效地计算离散傅里叶变换（DFT）。

C语言代码实现：

void fft_radix2(float complex in[N], float complex out[N]) {
    if (N == 1) {
        out[0] = in[0];
        return;
    }
    
    float complex tmp[N/2];
    float complex twiddle[N/2];
    
    for (int k = 0; k < N/2; ++k) {
        twiddle[k] = cexp(-2 * M_PI * I / N * k);
    }
    
    for (int k = 0; k < N/2; ++k) {
        tmp[k] = in[k] + in[k+N/2] * twiddle[k];
        out[k+N/2] = (in[k] - in[k+N/2]) * twiddle[k];
    }
    
    fft_radix2(tmp, out);
    fft_radix2(out+N/2, out+N/2);
}

上述C代码实现了递归的Radix-2 FFT算法，通过分治法将输入序列分为两半，分别进行FFT计算，然后通过蝶形运算合并结果。

SystemVerilog接口定义：

interface fft_intf (
    input logic clk,
    input logic rst_n,
    input logic [31:0] in_real[N],
    input logic [31:0] in_imag[N],
    output logic [31:0] out_real[N],
    output logic [31:0] out_imag[N]
);
 
// Control signals for streaming interface
logic start, done;
 
// ... additional signals for internal control and synchronization ...
 
endinterface

接口定义了实部和虚部输入/输出信号，以及启动（start）和完成（done）信号，用于控制FFT模块的工作流程。内部还包括其他控制信号以支持内部操作的协调。

协同设计过程： 类似案例一，通过C-to-HDL编译器编译C代码、设置优化策略、进行综合与仿真、布局布线、时序签核、生成比特流，最后在FPGA板卡上进行硬件验证。

设计结果与优化策略：

• **资源利用率：**FFT设计主要消耗LUTs和DSPs，通过改变基数值（如Radix-4、Radix-8）、利用查找表代替乘法、减少中间变量等方法优化资源使用。
• **性能指标：**关注FFT计算速度（FFT/s）、延迟、吞吐量等。通过流水线化、多级并行、数据流架构等方式提升计算效率。
• **功耗：**通过动态频率和电压调整、优化逻辑层次、减少冗余计算等手段降低功耗。

总结来说，以上两个案例展示了C-to-FPGA设计的具体实践，包括C语言代码实现、SystemVerilog接口定义以及协同设计过程。通过对设计结果的分析和优化策略的探讨，我们可以了解如何针对特定应用场景有效利用C-to-FPGA技术实现高性能、低功耗的硬件加速器。

二、结论

总结C语言与HDL协同设计在FPGA编程与SystemVerilog接口中的关键要点和优势：

1. 关键要点：

   • **C语言抽象与表达力：**C语言作为高级编程语言，提供易于理解的编程模型和丰富的数据结构，便于实现复杂算法和控制逻辑，尤其适用于 DSP、图像处理、通信等领域。
   • **HDL底层控制与优化：**硬件描述语言（HDL）如Verilog或VHDL，用于精确描述硬件电路的行为和结构，直接映射到FPGA资源，实现低级优化和精准时序控制。
   • **SystemVerilog接口标准化：**SystemVerilog接口定义了模块间的交互规范，包括数据通路、控制信号、时序约束等，确保不同层级设计的无缝集成与同步，简化系统级验证与集成。
   • **C-to-HDL编译与转换：**C-to-HDL编译器（如High-Level Synthesis，HLS）将C代码转化为HDL描述，通过编译器提供的优化选项，实现算法到硬件的高效映射，兼顾性能与资源利用率。

2. 优势：

   • **设计效率提升：**C语言编程降低了硬件设计门槛，允许软件工程师直接参与硬件开发，缩短设计周期，提高整体生产力。
   • **代码重用与移植性：**C代码具有较好的平台无关性和可移植性，使得设计可轻易在不同FPGA平台间迁移，甚至应用于ASIC设计。
   • **设计迭代与优化便捷：**通过修改C代码和调整编译器参数，即可快速迭代设计方案，进行性能、资源消耗等方面的优化，无需深入底层HDL细节。
   • **系统级验证与协同：**SystemVerilog接口支持高层级的系统验证，便于与其它模块进行协同设计，利于构建复杂的SoC系统。

展望未来发展趋势，探讨新技术对C语言与HDL协同设计的影响：

1. RISC-V软核：

   • **嵌入式处理器集成：**随着RISC-V开源指令集架构的发展，FPGA设计中越来越多地集成RISC-V软核作为控制处理器。这使得C语言可以直接编译成RISC-V机器码，在FPGA内部的软核上执行，实现混合硬件/软件设计，简化系统架构。
   • **软硬件协同编程：**RISC-V软核的存在促进了C/C++与HDL的深度融合，通过软件定义硬件（SDH）技术，部分实时性要求不高的任务可由RISC-V处理器执行，而计算密集型或实时性要求高的部分则通过C-to-HDL转化为硬件加速器，实现软硬件任务的动态分配与高效协作。

2. High-Level Synthesis（HLS）技术发展：

   • **高级语言支持扩展：**未来HLS工具可能会支持更多高级编程语言（如C++、Python等），进一步拓宽设计者的选择范围，允许利用这些语言的特性和库进行FPGA编程。
   • **智能优化与自动化：**随着人工智能技术的应用，HLS工具有望实现更智能的代码分析与优化，自动识别并应用最佳硬件架构，减少人工干预，提升设计质量与效率。
   • **跨平台与跨目标支持：**HLS技术将进一步增强对不同FPGA厂商器件及ASIC设计流程的支持，实现从单个源代码到多种目标平台的无缝迁移，促进设计生态的统一与开放。

综上所述，C语言与HDL协同设计在FPGA编程中展现出显著的优势，简化了设计流程，提升了设计效率，且随着RISC-V软核的普及和HLS技术的持续进步，这一模式将更加灵活、高效，并有望进一步融合软件工程实践，推动FPGA设计进入更广泛的开发者群体。