当前位置:首页 > 电源 > 数字电源
[导读]针对当前系统设计中软硬件设计者分别采用不同的设计语言存在的问题,采用基于Python的软硬件协同设计方法,以信号处理和图像处理中常用的平方根算法为例,在FPGA上实现了定点平方根算法。实验结果表明Python可以有效地将软件算法快速地转换为硬件设计,并能大幅度提高系统设计,仿真和校验的效率,使得这种方法设计的产品能更快地进入市场。

  0 引言

  FPGA 作为可编程的逻辑器件,它具有功耗低、便于修改、调试等特点,并能在上面实时完成大量的算法,平方根运算作为信号和图像处理中的常见算法,目前在FPGA上有许多实现,但是这些实现方法通常采用目前硬件设计中普遍采用的Verilog和VHDL语言进行硬件设计,这种设计方法存在着仿真和校验效率低,对于复杂的算法和软件设计者之间的沟通较为困难等问题。

  Python是一种简单易学并且功能强大的编程语言,并具有强大的软硬件描述能力,MyHDL采用Python扩展包的形式使其能支持硬件设计和仿真并在仿真结果符合要求后可将软件算法自动转换为相应的Verilog 或VHDL硬件描述。

  本文试图采用这种新的基于Python的软硬件设计方法在FPGA上实现定点平方根。

  1 方法

  1.1 定点数表示

  通常在FPGA 上的运算可以采用定点和浮点两种方式来实现,定点运算和浮点运算相比尽管数表示的范围较小,设计较为复杂,但是速度较快,占用FPGA资源较小,本设计采用定点来完成。平方根的输入为非负数,包括符号位为定点32位输入,其中高16位为整数部分,低15位为小数部分,可以直接计算的平方根范围为(65 536,0],结果采用32位输出,最高位为符号位,接着的高8位为整数部分,低23位为小数部分。

  1.2 平方根实现

  平方根的FPGA实现方法很多,有的算法为了减少片上资源的使用,逻辑实现上尽量避免使用乘法,比如CORDIC,逐位计算,non-restoring 等,现在FPGA上通常都有硬件乘法器,可采用迭代法和泰勒级数展开,本文采用泰勒级数展开的方法,级数采用5级,系数采用3.15的定点表示形式,小数部分15位,整数部分2位为了保证后续计算结果不溢出,整个位宽为18位,计算公式如式(1)所示:

  

 

  对于输入x 位于(65 536,0]之间,由于数的范围较大,通常进行归一化处理,采用的方法通过左移运算去掉二进制定点数的所有前导零,将输入的数转换为定点小数[0.5,1)之间,在完成平方根运算之后,然后根据前导零个数的奇、偶性不同分别进行去归一化处理,原理如式(2)所示,将输入数y 分为sx,s=2n,n 即为y 的二进制前导零的个数。

  

 

  整个过程的设计模块如图1所示。

  

 

  1.3 Python软硬件协同设计

  基于Python 的软硬件协同设计的过程如图2 所示,由于本设计最终要在硬件上实现,在设计时Python的硬件设计部分采用MyHDL 可综合子集,最后使用MyHDL的toVerilog()函数将MyHDL设计自动转换为相应的Verilog 代码,由于MyHDL 支持与Verilog 混合仿真,设计时的测试平台可以重用,仿真速度和设计效率大大提高。在完成基于Python软硬件设计并仿真正确之后,就可以回到进行传统的FPGA 设计流程,进行后续的下载,综合和测试工作。

  

[!--empirenews.page--]

 

  2 结果

  2.1 实验环境

  采用MyHDL 0.8,采用GTKWAVE 查看仿真波形,FPGA 器件采用Altera公司CycloneⅡ 2C35F672C6,编译综合采用Quartus 12.1sp1 webpack.

  2.2 仿真波形

  在设计过程中生成的VCD仿真波形可以随时采用GTKWAVE 查看,可以便于校验设计是否正确,最终完成的仿真波形如图3所示。

  

 

  2.3 测试数据,精度及误差

  由于整个过程采用Python设计,Python存在大量的软件包可以使用,平方根完成的测试数据结果如表1所示,采用基于Python 的绘图包matplotlib 绘制的当x 在[0.5,1.0]之间时的平方根误差如图4所示。

  

 

  

 

  2.4 综合结果

  在上面仿真校验符合设计要求后,将Python自动转换为Verilog描述,采用Quartus编译综合,并使用Model-sim仿真的波形如图5所示,与图3的Python环境下仿真波形相似,由此可见采用Python的软硬件协同设计方法能有效地进行FPGA 设计。综合后FPGA 资源使用情况:LE共1 506个,寄存器64个,嵌入式9位硬件乘法器10个。

  

 

  3 结论

  本文采用基于Python的扩展包MyHDL的软硬件协同设计方法,在FPGA 上完成了定点平方根算法,设计仿真过程仅使用Python语言,所以仿真校验和传统的设计方法相比效率更高,仿真速度也更快,另外此方法还可以方便,有效地将一个软件算法快速地转换为其相应的硬件实现,从而完成软硬件系统协同设计。

  现代系统的算法越来越复杂,传统的软硬件设计方法越来越不适应市场对设计的要求,采用Python进行系统设计,仿真和校验的速度会大大地提高,也能够自动将算法转换为对应的硬件实现,所以采用Python来进行软硬件协同设计的产品能更快地进入市场,并且随着设计复杂性的进一步增强和这种设计方法本身的发展和完善,基于Python的软硬件协同设计方法将会有更加广阔的应用前景。

本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
换一批
延伸阅读

助力科研与检测新突破 上海2024年5月15日 /美通社/ -- 全球知名的科学仪器和服务提供商珀金埃尔默公司今日在上海举办了主题为"创新不止,探索无界"的新品发布会,集中展示了其在分析仪器领域的最...

关键字: 质谱仪 BSP DSC 气相色谱

上海2024年5月16日 /美通社/ -- 2024年5月10日至5月13日,富士胶片(中国)投资有限公司携旗下影像产品创新力作亮相北京P&E 2024。在数码相机展览区域,全新制定的集团使命"为世界绽...

关键字: 富士 数码相机 影像 BSP

贝克曼库尔特目前已成为MeMed Key免疫分析平台和MeMed BV检测技术的授权经销商 在原有合作的基础上,继续开发适用于贝克曼库尔特免疫分析仪的MeMed BV检测 加州布瑞亚和以色列海法2024年5月16日...

关键字: BSP IO 检测技术 免疫分析仪

英国英泰力能的燃料电池是可产业化的产品解决方案 英国首个专为乘用车市场开发的燃料电池系统 在 157kW 功率下,此燃料电池比乘用车的其他发动机更为强大 &...

关键字: ENERGY INTELLIGENT 氢燃料电池 BSP

深爱人才,共赴"芯"程 深圳2024年5月15日 /美通社/ -- 5月11日,深圳国资国企"博士人才荟"半导体与集成电路产业专场活动在深圳市重投天科半导体有限公司(简...

关键字: 半导体 集成电路产业 BSP 人工智能

武汉2024年5月15日 /美通社/ -- 北京时间4月26日-5月4日,2024 VEX 机器人世界锦标赛于美国得克萨斯州达拉斯市举办。本届 VEX 世锦赛为期九天,设有 VIQRC 小学组/初中组、V5RC 初中组/...

关键字: 机器人 BSP RC POWERED

上海2024年5月15日 /美通社/ -- 由生成式人工智能(AI)驱动的临床阶段生物医药科技公司英矽智能宣布,与复星医药(600196.SH;02196.HK)合作开发的潜在"全球首创"候选药物IS...

关键字: ISM BSP PC 人工智能

上海2024年5月13日 /美通社/ -- 5月8日,浦东新区国资委组织陆家嘴集团等9家区属企业与立邦中国召开合作交流会,旨在贯彻落实浦东新区区委、区政府工作要求,进一步放大进博会溢出带动效应,持续扩大区属企业与进博会重...

关键字: BSP 数字化 自动化立体仓库 智慧园区

上海2024年5月13日 /美通社/ -- 在数字化时代,高效的税务管理和ERP系统成为企业发展的关键。为了满足这一需求商应信息科技与Exact Software 易科软件就金四全电票税系统与ERP系统集成及商务合作建立...

关键字: AC 软件 BSP 数字化

北京2024年5月13日 /美通社/ -- 5月11日,鲲鹏昇腾开发者大会2024期间,华为举办"昇思AI框架及大模型技术论坛",软通动力数字基础设施与集成事业部总经理谢睿受邀出席、软通动力...

关键字: AI 模型 BSP 精度
关闭
关闭