QuickPlay 的高級工作流程讓軟件開發人員迅速構建基于 FPGA 的高效應用。

隨著物聯網和大數據處理的崛起，人們對數據傳輸和處理的需求急劇增長，僅靠 CPU 再也不能滿足這一指數級增長需求。添加更多處理器和更多虛擬機來運行給定應用并不能徹底解決這一問題，因為對給定應用而言，能夠在多個 CPU 上并行處理的應用有限。另一方面，現場可編程門陣列 （FPGA）具有所需的 I/O 帶寬和處理能力，這一點無論是從純粹的處理角度考慮，還是從功耗的角度考慮都非常重要。FPGA 對數據中心設備制造商而言，長期以來一直頗具吸引力。英特爾近期收購了第二大FPGA 廠商，這一舉措是純 CPU 解決方案再也不能滿足應用需求的又一力證。

FPGA 實現相當復雜，這也是阻礙其廣泛采用的主要障礙。到目前為止，在基于 FPGA 的平臺上開發應用的唯一途徑仍是采用一些最底層的硬件實現方案。這不僅讓軟件開發人員這一龐大的潛在客戶群無法使用 FPGA 器件，還讓傳統 FPGA 設計人員的日子越來越不好過。

近期涌現的 FPGA 設計方法以高層次綜合（HLS）工具為中心，充分利用 OpenCL ?、C 和C++ 等軟件編程語言的優勢，為軟件開發人員提供了沙盒效應，在大量應用中能從基于 FPGA 的硬件加速中大受裨益。但這些方法往往存在一個關鍵的不足，即無法讓軟件開發人員定義并配置最適合其應用的硬件基礎架構。業界一直都在追尋高級工作流程的圣杯，從而無需 FPGA 專業技術即可在基于FPGA 的平臺上實現應用。

PLDA 在過去五年中已經開發出一種這樣的工作流程。稱作 QuickPlay 的工作流程能夠高效解決實現復雜性問題，為 FPGA 開發提供多種使用模式。但其價值的核心源頭之一是它讓軟件開發人員將原本用于 CPU 的應用部分或全部地實現在 FPGA硬件上的方式。QuickPlay 能夠全面發揮 FPGA 資源的作用，將這些功能強大而復雜的器件轉化為軟件定義平臺，無需艱苦的硬件設計即能獲得 FPGA 帶來的優勢。

試想一種可以細分為兩項功能的軟件算法： 其中一項功能用于數據處理，然后另一項功能用于數據的進一步處理。從軟件角度看，這種實現方案相當簡單，就是先調用 Function1（），接著再單獨調用Function2（），使用指針來定位待處理數據的位置。

如果沒有合適的硬件抽象工具流程輔助，在基于 FPGA 的硬件平臺上實現這種算法需要軟件開發人員處理圖 1 所示的硬件設計（其中內核 1 和內核2 分別是 Function 1 和 Function 2 的硬件實現）。該硬件設計需要包含兩個元素：控制層面和數據層面。

控制層面起著執行引擎的作用，用于生成時鐘與復位、管理系統啟動、編排數據層面運行以及執行所有維護功能。數據層面例化并連接處理元件元、內核 1 和內核 2 以及用于讀入數據和寫出處理后數據所需的必備 I/O 接口。雖然不同的應用會要求使用不同的 I/O 接口，不過在我們的實例中使用的是以太網和 PCI Express（PCIe）這些接口，如圖1 所示。

圖 1 — 使用傳統 FPGA 工具實現兩功能算法的詳細硬件實現

無需硬件專業知識，軟件開發人員使用編譯軟件功能 Function1（） 和Function2（）（一般用 C 或 C++語言編寫）的 HLS 工具就可以輕松地生成內核 1 和內核 2 到采用 VHDL 或 Verilog 等的 FPGA 硬件描述中。但是設計中每一個從性質上不屬于算法的其他元素（接口、控制、時鐘及復位）都不能用 HLS工具生成，硬件設計人員必須將它們設計為自定義硬件描述語言功能或 IP。獲得這些元素并將它們連接起來構成了另一個難題，因為部分元素可能并非是現成的，或是具有不同的接口（類型和大?。?、時鐘要求以及專門的啟動順序等。

QuickPlay 能夠充分利用 FPGA 資源，將這些功能強大而復雜的器件轉化為軟件定義平臺，無需艱苦的硬件設計即能獲得由FPGA 帶來的優勢。

除了設計工作，同樣具有難度的是實現工作。這包括將設計映射到選定 FPGA 平臺上的資源、生成適當的約束以及確認在 FPGA 硬件上完成邏輯綜合與實現后滿足這些約束要求。在新的 FPGA 硬件上實現有效設計也需要耗費一名經驗豐富的硬件設計人員數星期的時間。

因此，任何旨在使用自定義硬件幫助軟件開發人員來增強其應用的工具必須能夠：

? 從純軟件代碼中創建功能硬件；

? 根據需要采用現有的硬件 IP 模塊；

? 調用并創建所有的支持硬件（接口、控制、時鐘等）；

? 支持使用現成商用開發板以及自定義平臺；

? 確保生成的硬件能自動建構校正，這樣無需進硬件調試；且

? 支持僅使用標準軟件調試工具即可調試功能模塊。

PLDA 重新設計 QuickPlay 以滿足所有各項要求，讓純軟件開發人員以極小工作量就能指定、構建和集成 FPGA 到自己的軟件架構中。