Stream-orientierte FPGA-Berechnung in der Hochsprache Streams-C

Stream-orientierte Verarbeitung ist eine wichtige Methodik, die in FPGA-basierter Parallelverarbeitung verwendet wird. Merkmale der stream-orientierten Berechnung umfassen den Hochdatensatzfluss von einer oder mehreren Datenquellen; feste Größe, kleine Stream-Nutzlast (ein Byte bis ein Wort); rechenintensive Operationen, normalerweise mit niedriger Präzision im Festpunktformat, auf dem Datenstrom; Zugriff auf kleine lokale Speicher, die Koeffizienten und andere Konstanten enthalten; und gelegentliche Synchronisation zwischen Berechnungsphasen. Wir beschreiben Sprachkonstrukte, Compilertechnologie und Hardware-/Softwarebibliotheken, die das Streams-C-System verkörpern, das entwickelt wurde, um stream-orientierte Berechnungen auf FPGA-basierten Parallelcomputern zu unterstützen. Die Sprache wird als kleine Menge von Bibliotheksfunktionen implementiert, die von einem C-Programmierer aufgerufen werden können. Der Streams-C-Compiler synthetisiert Hardware-Schaltungen für mehrere FPGAs sowie ein mehrfädiges Softwareprogramm für den Steuerprozessor. Unser System umfasst eine funktionale Simulationsumgebung, die auf POSIX-Threads basiert und es dem Programmierer ermöglicht, die Sammlung paralleler Prozesse und deren Kommunikation auf funktionaler Ebene zu simulieren. Schließlich präsentieren wir eine Anwendung, die sowohl in Streams-C als auch manuell in VHDL codiert wurde. Im Vergleich zum handgefertigten Design benötigt die durch Streams-C erzeugte Schaltung die dreifache Fläche und läuft mit der halben Taktfrequenz. In Bezug auf die Markteinführungszeit dauerte das handgefertigte Design einen Monat, um von einem erfahrenen Hardware-Entwickler entwickelt zu werden. Das Streams-C-Design benötigte ein paar Tage, was zu einer Produktivitätssteigerung von 10x führte.