Python+FPGA 实现FPGA开发大提速

上个月中旬，在美国纳帕举行的第25届关于可编程计算机器领域IEEE国际讨论会上，一篇名为“评估通过Python快速开发异构处理器FPGA应用性能”的短篇论文获得了最佳短篇论文奖。这篇论文主要讨论了Python开发FPGA应用的优势和效率，论文中针对Digilent的PYNQ-Z1板卡（内部集成一个Xilinx Zynq SoC），通过支持Python编程和Jupyter Notebooks框架的PYNQ开发环境，应用Python对此板卡进行开发编程，并最终评估开发结果的优势和效率。值得一提的是，发表这篇论文的作者都是业界大佬，包括高级计算机科学家AndrewG.Schmidt、计算机科学家Gabriel Weise以及来自美国南加州大学工程技术科学协会的研究室主任Matthew French。在论文中，Matthew French教授主要就利用PYNQ开发环境，应用Python语言对Xilinx Zynq器件进行编程应用开发时对FPGA器件的影响、性能结果以及瓶颈影响进行了评估。此外，各位教授就基于Python的开发结果与已经存在的基于C语言的开发及手动开发结果进行了比较分析。
在论文中，各位教授还对PYNQ开发环境的优缺点进行了阐述：
首先来说，PYNQ应用开发框架是一个开源的开发环境，提供了标准的可以约束芯片I/O引脚的“Overlay”比特流，同时，开发人员可以在此开发环境中，利用Python对FPGA进行快速编程开发。此外，PYNQ开发环境内部集成标准的编程范式，支持HDMI和视频流的输出输出，同时具有两组12pin的PMOD连接器和一个兼容Arduino的连接器（可以连接或配置为Arduino系列板卡）。其中，默认的overlay中实例化了多个可以驱动多I/O接口的微Blaze处理器核，也可以配置一些支持图像滤波功能和试验SIMT（单指令，多线程）编程软逻辑GPU的overlay。同时，PYNQ也提供了支持比特流编程的API和可扩展的通用Python库和包，并且可以通过存储映射I/O（MMIO）直接寻址可编程逻辑单元，另外还支持DMA交易（不需要经过器件驱动和核模块之间的不断握手确认）。

其次，就目前来说，PYNQ还不支持任何高级的综合，也无法将Python应用直接移植到FPGA中。这就意味着，开发者依然原型必须使用FPGA来创建一个设计，即当PYNQ提供一个支持板卡IO接口的Overlay框架以时，任何用户逻辑依然必须由开发者亲自创建并综合。不过，开发者仍然可以使用高级综合工具或上面提到的Python-to-HDL工程来完成这个任务，但是最终，开发者依然需要基于此设计并创建一个整合了Python代码比特流文件。

也正是由于PYNQ存在这方面的缺陷，论文的作者并没有简单依赖现存的PYNQ API接口和overlay，他们开发出一个基于Redsharc项目的特定应用程序内核进行研究。
结论：
结果如何呢？论文最后，作者对给出了Python开发Zynq应用的各项评估结果。结果中给出了通过c/c++实现这项研究的一般图像处理管道性能，以及定制的硬件加速器和Python实现的性能结果，帮助我们更好地理解了Python + FPGA开发环境的性能和能。结果十分明显，通过PYNQ实现较c实现速度提高了30倍之多，更甚者，从结果中可以看出，当Python实现时有更加有效的可用库时，比如OpenCV，其性能可以增长更多。
Python软件实现和FPGA性能潜力的结合是一个非常有意义的工作，将会开创出一个类似于树莓派和Arduino的广大的开发者社区。Python+FPGA是一个广阔的未经勘察过的领域——一个全新的更加高效的开发空间——通过PYNQ开发环境将会吸引更多的系统开发者加入的领域。
转自：http://xilinx.eetrend.com/news/11477

6