基于(yu) FPGA 的嵌(qian)入式(shi)系統硬件(jian)邏輯優化技術探(tan)究
時間：2025-02-07 來源：華清遠見
在數字化浪潮席卷全(quan)球的(de)(de)(de)當下，嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)(shi)系(xi)(xi)統已然成(cheng)為眾多領域不可(ke)或(huo)缺的(de)(de)(de)核心(xin)力量。從我們日常使用的(de)(de)(de)智能手機(ji)、智能穿戴設備等消費(fei)電子(zi)產(chan)品，到關(guan)乎工(gong)業生產(chan)效率與精度的(de)(de)(de)工(gong)業控(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統，再到汽(qi)車電子(zi)領域的(de)(de)(de)自動駕駛輔助(zhu)系(xi)(xi)統以及(ji)航空航天領域的(de)(de)(de)飛行(xing)器導(dao)航控(kong)制(zhi)等關(guan)鍵應(ying)用，嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)(shi)系(xi)(xi)統無處不在。而現(xian)場可(ke)編程(cheng)門陣(zhen)列（FPGA）憑借其卓(zhuo)越的(de)(de)(de)靈活性(xing)和可(ke)重構(gou)性(xing)，在嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)(shi)系(xi)(xi)統設計(ji)的(de)(de)(de)舞臺上(shang)大放異彩，成(cheng)為工(gong)程(cheng)師們實現(xian)復雜功能的(de)(de)(de)得力助(zhu)手。然而，隨著技術(shu)的(de)(de)(de)飛速發(fa)展，人們對(dui)嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)(shi)系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)性(xing)能期(qi)望日益攀升，如(ru)何(he)充分挖掘 FPGA 的(de)(de)(de)潛力，實現(xian)高(gao)效、穩(wen)定且低功耗的(de)(de)(de)嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)(shi)系(xi)(xi)統，硬件(jian)邏輯優(you)化技術(shu)成(cheng)為了(le)關(guan)鍵所(suo)在。
技術背景
FPGA 內部構(gou)(gou)造猶如一(yi)座精密(mi)且復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)電子城市，由海量的(de)(de)(de)(de)可(ke)(ke)編(bian)(bian)程邏(luo)輯(ji)單元、存(cun)儲單元以及縱橫交(jiao)錯的(de)(de)(de)(de)布線(xian)資源(yuan)構(gou)(gou)成。開發人員借助硬(ying)件描述(shu)語言，如 Verilog 或 VHDL，如同(tong)為這(zhe)座城市撰寫詳細的(de)(de)(de)(de)建設(she)藍圖，通過編(bian)(bian)程賦予 FPGA 實現各類邏(luo)輯(ji)功(gong)能(neng)的(de)(de)(de)(de)能(neng)力(li)。在項目初始階段，簡單的(de)(de)(de)(de)設(she)計(ji)或許能(neng)夠滿足基(ji)本(ben)需求，但當設(she)計(ji)規模(mo)如滾雪(xue)球(qiu)般不(bu)斷(duan)擴大(da)，性(xing)能(neng)要求也水漲(zhang)船高(gao)時，最初的(de)(de)(de)(de)設(she)計(ji)方案往往會暴露出(chu)諸多短板。在速度方面，可(ke)(ke)能(neng)無法(fa)滿足實時數據(ju)處理(li)的(de)(de)(de)(de)嚴(yan)苛(ke)要求；資源(yuan)利(li)用率上，可(ke)(ke)能(neng)出(chu)現大(da)量邏(luo)輯(ji)門閑置(zhi)或重復(fu)使用的(de)(de)(de)(de)浪(lang)費現象；功(gong)耗層面，過高(gao)的(de)(de)(de)(de)能(neng)耗不(bu)僅增加運行成本(ben)，還可(ke)(ke)能(neng)引發散(san)熱難題，影響系統穩(wen)定性(xing)。這(zhe)些問題猶如一(yi)道道屏障，阻礙著(zhu) FPGA 性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)充(chong)分發揮(hui)，也促使科研人員和工程師(shi)們深入探索硬(ying)件邏(luo)輯(ji)優化(hua)技(ji)術的(de)(de)(de)(de)奧秘。
優化方法
邏輯化簡
邏(luo)輯(ji)(ji)(ji)化(hua)簡(jian)(jian)就像(xiang)是(shi)對復雜(za)的(de)(de)(de)(de)電路邏(luo)輯(ji)(ji)(ji)進(jin)行一(yi)(yi)場 “斷舍離”。在(zai)數字電路中(zhong)(zhong)，邏(luo)輯(ji)(ji)(ji)關系通(tong)常以(yi)布爾代數表(biao)達(da)(da)式(shi)的(de)(de)(de)(de)形(xing)式(shi)呈現(xian)(xian)。通(tong)過運用布爾代數的(de)(de)(de)(de)基本定(ding)律和(he)規(gui)則，如吸(xi)收律（A + AB = A）、分(fen)配律（A (B + C) = AB + AC）等(deng)(deng)，能(neng)夠對這些邏(luo)輯(ji)(ji)(ji)表(biao)達(da)(da)式(shi)進(jin)行深度剖析(xi)與簡(jian)(jian)化(hua)。例如，假設有(you)一(yi)(yi)個(ge)復雜(za)的(de)(de)(de)(de)邏(luo)輯(ji)(ji)(ji)表(biao)達(da)(da)式(shi)：F = A’B + A’BC + A’BCD + A’BCDE。運用吸(xi)收律，可(ke)逐步(bu)化(hua)簡(jian)(jian)為(wei)(wei)：F = A’B (1 + C + CD + CDE)，由于(yu) 1 加上任何項(xiang)都等(deng)(deng)于(yu) 1，所以(yi)進(jin)一(yi)(yi)步(bu)化(hua)簡(jian)(jian)為(wei)(wei) F = A’B。在(zai)實際電路設計中(zhong)(zhong)，化(hua)簡(jian)(jian)后(hou)的(de)(de)(de)(de)表(biao)達(da)(da)式(shi)意(yi)味著可(ke)以(yi)減少邏(luo)輯(ji)(ji)(ji)門(men)(men)(men)的(de)(de)(de)(de)使用數量。原本可(ke)能(neng)需(xu)要多個(ge)與門(men)(men)(men)、或門(men)(men)(men)等(deng)(deng)組合來實現(xian)(xian)該邏(luo)輯(ji)(ji)(ji)功能(neng)，化(hua)簡(jian)(jian)后(hou)僅(jin)需(xu)少數幾個(ge)邏(luo)輯(ji)(ji)(ji)門(men)(men)(men)即可(ke)，這不僅(jin)降低了硬件(jian)資源的(de)(de)(de)(de)消耗，減少了芯(xin)片面(mian)積，還能(neng)縮短信號(hao)傳輸路徑，從而提高電路的(de)(de)(de)(de)運行速度，提升整(zheng)個(ge)系統的(de)(de)(de)(de)響應效率(lv)。
流水線設計
流(liu)(liu)水線(xian)(xian)設(she)計是一種(zhong)將(jiang)(jiang)復(fu)雜(za)邏(luo)輯(ji)功能(neng)巧妙拆解(jie)為多(duo)個(ge)(ge)(ge)有序階(jie)(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)的(de)(de)(de)高(gao)效(xiao)設(she)計策略。想象一下工廠的(de)(de)(de)汽車裝(zhuang)(zhuang)配線(xian)(xian)，一輛(liang)汽車的(de)(de)(de)組(zu)裝(zhuang)(zhuang)被分解(jie)為多(duo)個(ge)(ge)(ge)工序，每(mei)個(ge)(ge)(ge)工序在特定的(de)(de)(de)工位上依次完成。在 FPGA 中(zhong)(zhong)，流(liu)(liu)水線(xian)(xian)設(she)計與之類(lei)似，將(jiang)(jiang)一個(ge)(ge)(ge)復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)邏(luo)輯(ji)功能(neng)劃(hua)分為多(duo)個(ge)(ge)(ge)階(jie)(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)，每(mei)個(ge)(ge)(ge)階(jie)(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)通過寄(ji)存器連接。當系統(tong)時(shi)(shi)(shi)鐘信(xin)號(hao)如同工廠的(de)(de)(de)指揮哨聲響起(qi)時(shi)(shi)(shi)，數(shu)據(ju)(ju)就像待組(zu)裝(zhuang)(zhuang)的(de)(de)(de)汽車零部件，依次在各個(ge)(ge)(ge)階(jie)(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)進行(xing)處理(li)。例如，在一個(ge)(ge)(ge)數(shu)字信(xin)號(hao)處理(li)系統(tong)中(zhong)(zhong)，對輸入數(shu)據(ju)(ju)進行(xing)快速傅(fu)里葉變換（FFT）運(yun)算(suan)。若采(cai)用傳統(tong)設(she)計，所(suo)有運(yun)算(suan)在一個(ge)(ge)(ge)模(mo)塊(kuai)中(zhong)(zhong)順(shun)序完成，時(shi)(shi)(shi)鐘頻率(lv)受到最(zui)長(chang)運(yun)算(suan)路徑的(de)(de)(de)限(xian)制(zhi)。而引入流(liu)(liu)水線(xian)(xian)設(she)計后，將(jiang)(jiang) FFT 運(yun)算(suan)劃(hua)分為多(duo)個(ge)(ge)(ge)階(jie)(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)，如數(shu)據(ju)(ju)預處理(li)、蝶(die)形運(yun)算(suan)的(de)(de)(de)不(bu)同層級等(deng)。每(mei)個(ge)(ge)(ge)階(jie)(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)完成一部分工作后，將(jiang)(jiang)結果暫存于寄(ji)存器中(zhong)(zhong)，再(zai)傳遞給下一個(ge)(ge)(ge)階(jie)(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)。這樣一來(lai)，每(mei)個(ge)(ge)(ge)階(jie)(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)的(de)(de)(de)處理(li)時(shi)(shi)(shi)間得(de)以縮短，系統(tong)的(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)鐘頻率(lv)可以顯(xian)著提(ti)高(gao)。假設(she)原本(ben)系統(tong)時(shi)(shi)(shi)鐘頻率(lv)為 50MHz，通過精心設(she)計的(de)(de)(de)流(liu)(liu)水線(xian)(xian)，可將(jiang)(jiang)時(shi)(shi)(shi)鐘頻率(lv)提(ti)升(sheng)至 100MHz 甚至更高(gao)，從(cong)而大幅提(ti)升(sheng)整體(ti)性能(neng)，使系統(tong)能(neng)夠在單位時(shi)(shi)(shi)間內處理(li)更多(duo)的(de)(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)。
資源共享
資(zi)(zi)源(yuan)共享(xiang)是一(yi)種(zhong)在(zai)不影(ying)響系統(tong)功(gong)能(neng)(neng)完整(zheng)性的(de)前(qian)提(ti)下，實現(xian)硬件資(zi)(zi)源(yuan)高效(xiao)利用的(de)智慧策(ce)略。在(zai) FPGA 設(she)(she)計中(zhong)(zhong)，許多(duo)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)可能(neng)(neng)存(cun)在(zai)功(gong)能(neng)(neng)相(xiang)似或部(bu)分功(gong)能(neng)(neng)重疊(die)的(de)情(qing)況。例如(ru)，在(zai)一(yi)個(ge)(ge)包(bao)含多(duo)個(ge)(ge)圖像處理算(suan)法模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)的(de)嵌(qian)入式系統(tong)中(zhong)(zhong)，多(duo)個(ge)(ge)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)都(dou)需(xu)要進行(xing)乘(cheng)(cheng)法運算(suan)。如(ru)果每個(ge)(ge)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)都(dou)獨立設(she)(she)計一(yi)個(ge)(ge)乘(cheng)(cheng)法器(qi)(qi)，無(wu)疑會造成(cheng)大量的(de)資(zi)(zi)源(yuan)浪費(fei)(fei)。通(tong)過資(zi)(zi)源(yuan)共享(xiang)技術(shu)，我們可以設(she)(she)計一(yi)個(ge)(ge)通(tong)用的(de)、可復(fu)用的(de)乘(cheng)(cheng)法器(qi)(qi)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)。當不同(tong)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)需(xu)要進行(xing)乘(cheng)(cheng)法運算(suan)時，通(tong)過合理的(de)控(kong)(kong)制邏輯(ji)，分時復(fu)用這(zhe)個(ge)(ge)乘(cheng)(cheng)法器(qi)(qi)。比如(ru)，模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai) A 在(zai)某一(yi)時刻(ke)需(xu)要進行(xing)乘(cheng)(cheng)法運算(suan)，控(kong)(kong)制電路將乘(cheng)(cheng)法器(qi)(qi)資(zi)(zi)源(yuan)分配(pei)(pei)給模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai) A；當模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai) A 運算(suan)完成(cheng)后，再將乘(cheng)(cheng)法器(qi)(qi)分配(pei)(pei)給有需(xu)求的(de)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai) B。這(zhe)種(zhong)方式不僅避免了重復(fu)設(she)(she)計乘(cheng)(cheng)法器(qi)(qi)帶(dai)來的(de)資(zi)(zi)源(yuan)浪費(fei)(fei)，還(huan)能(neng)(neng)減少芯片面積，降低功(gong)耗(hao)。據統(tong)計，在(zai)一(yi)些(xie)復(fu)雜的(de)數字信號處理系統(tong)中(zhong)(zhong)，通(tong)過資(zi)(zi)源(yuan)共享(xiang)技術(shu)，可節省約 30% - 40% 的(de)邏輯(ji)資(zi)(zi)源(yuan)。
并行處理
并行(xing)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)是(shi)應對大數據(ju)(ju)(ju)量和高實時性要求的(de)(de)(de)(de)(de)強大武器。在數據(ju)(ju)(ju)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)過程(cheng)中，有(you)些操作(zuo)相(xiang)互之(zhi)間(jian)并無(wu)依(yi)賴關系(xi)，可以同(tong)(tong)(tong)(tong)時進行(xing)。例(li)如，在一個多(duo)通(tong)(tong)道(dao)(dao)數據(ju)(ju)(ju)采集與處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)系(xi)統(tong)中，有(you)多(duo)個傳感器分別采集不(bu)同(tong)(tong)(tong)(tong)類型的(de)(de)(de)(de)(de)數據(ju)(ju)(ju)，如溫度、濕度、壓力等(deng)。傳統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)順序處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)方(fang)(fang)式是(shi)依(yi)次對每(mei)(mei)個通(tong)(tong)道(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)數據(ju)(ju)(ju)進行(xing)采集、轉換和處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)，這種方(fang)(fang)式效率低下(xia)，無(wu)法(fa)滿足(zu)實時性要求。采用并行(xing)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)技術(shu)后(hou)，為每(mei)(mei)個數據(ju)(ju)(ju)通(tong)(tong)道(dao)(dao)設計(ji)獨(du)立的(de)(de)(de)(de)(de)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)邏輯，讓它們同(tong)(tong)(tong)(tong)時工作(zuo)。就像多(duo)條生(sheng)產線同(tong)(tong)(tong)(tong)時開(kai)工，每(mei)(mei)個生(sheng)產線負責(ze)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)自己通(tong)(tong)道(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)數據(ju)(ju)(ju)。這樣，數據(ju)(ju)(ju)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)吞吐量大幅提(ti)(ti)高。假設原本(ben)順序處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)方(fang)(fang)式下(xia)，系(xi)統(tong)每(mei)(mei)秒只能(neng)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li) 100 組(zu)數據(ju)(ju)(ju)，采用并行(xing)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)后(hou)，由于多(duo)個通(tong)(tong)道(dao)(dao)同(tong)(tong)(tong)(tong)時工作(zuo)，每(mei)(mei)秒可處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)數據(ju)(ju)(ju)量提(ti)(ti)升至 1000 組(zu)甚至更(geng)多(duo)，極大地提(ti)(ti)高了系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)整體(ti)性能(neng)和響(xiang)應速度。
實際應用案例
在某高端安防監控系統中的(de)圖(tu)像識別嵌入式子(zi)系統中，硬件邏輯優(you)化技術(shu)的(de)應用效果顯著(zhu)。
在邏(luo)(luo)輯(ji)化簡方面，對(dui)圖(tu)像預處(chu)理模塊(kuai)進行深入分析和優化。通過仔細梳理邏(luo)(luo)輯(ji)表達式，運用布爾代數(shu)(shu)定律，成(cheng)(cheng)功減少了(le)(le)約(yue) 35% 的(de)(de)(de)邏(luo)(luo)輯(ji)門(men)(men)數(shu)(shu)量(liang)。這(zhe)不僅降低了(le)(le)芯片的(de)(de)(de)功耗(hao)，還因為邏(luo)(luo)輯(ji)門(men)(men)數(shu)(shu)量(liang)的(de)(de)(de)減少，使(shi)得信號傳輸路徑更短(duan)，信號延遲降低，圖(tu)像預處(chu)理的(de)(de)(de)速度得到了(le)(le)明顯提(ti)升。在實際測試中，圖(tu)像從采集到完成(cheng)(cheng)預處(chu)理的(de)(de)(de)時間縮短(duan)了(le)(le)約(yue) 20%，為后續的(de)(de)(de)圖(tu)像識別(bie)環節提(ti)供了(le)(le)更高效(xiao)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據輸入。
在流(liu)水(shui)(shui)線設計上，將特征提取模塊進(jin)行了精心的(de)流(liu)水(shui)(shui)線劃(hua)分(fen)。原(yuan)(yuan)本(ben)該(gai)模塊的(de)時鐘頻(pin)(pin)率(lv)受限(xian)于復雜的(de)運(yun)(yun)算流(liu)程，只(zhi)能(neng)運(yun)(yun)行在 50MHz。通過(guo)合理劃(hua)分(fen)階段，引(yin)入流(liu)水(shui)(shui)線設計后，系統(tong)時鐘頻(pin)(pin)率(lv)成功提升至 120MHz。這(zhe)一提升直接帶來了圖(tu)(tu)像(xiang)識(shi)別(bie)速度(du)的(de)飛躍，在同樣的(de)硬件環(huan)境下，該(gai)嵌入式系統(tong)每(mei)秒能(neng)夠處理的(de)圖(tu)(tu)像(xiang)幀(zhen)數從原(yuan)(yuan)來的(de) 20 幀(zhen)提升至 50 幀(zhen)，大大提高(gao)了監控系統(tong)的(de)實(shi)時性和準確性。
資源共享(xiang)技術在該系統中也發揮了(le)重要(yao)作用。多個(ge)圖像(xiang)(xiang)算(suan)法模(mo)(mo)塊(kuai)，如目標檢測(ce)算(suan)法模(mo)(mo)塊(kuai)、圖像(xiang)(xiang)分類算(suan)法模(mo)(mo)塊(kuai)等(deng)，都需要(yao)頻(pin)繁(fan)訪問內存(cun)(cun)(cun)獲取數據和存(cun)(cun)(cun)儲中間(jian)結果。通過設(she)計一個(ge)共享(xiang)的(de)內存(cun)(cun)(cun)訪問模(mo)(mo)塊(kuai)，各個(ge)算(suan)法模(mo)(mo)塊(kuai)根(gen)據優先級(ji)和需求分時復用該模(mo)(mo)塊(kuai)。經統計，這種方式節省了(le)約 25% 的(de)存(cun)(cun)(cun)儲資源，有效(xiao)降低了(le)系統成本，同(tong)時也提高了(le)內存(cun)(cun)(cun)訪問的(de)效(xiao)率和穩定性。
總結
基于 FPGA 的(de)(de)(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)系統(tong)(tong)硬件邏輯(ji)(ji)優(you)(you)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)是一個(ge)(ge)綜合性(xing)、系統(tong)(tong)性(xing)的(de)(de)(de)工程，需要(yao)從多個(ge)(ge)維度進(jin)行深入(ru)思考和精心(xin)設計。邏輯(ji)(ji)化(hua)簡、流水(shui)線設計、資源(yuan)共享和并行處(chu)理等技(ji)(ji)術(shu)并非孤立存在(zai)，而(er)是相互(hu)配合、相輔相成。通過合理運用(yong)這(zhe)些(xie)技(ji)(ji)術(shu)，我們能(neng)夠在(zai)提(ti)高系統(tong)(tong)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)同時，有效降低資源(yuan)消耗(hao)和功耗(hao)，為(wei)嵌(qian)入(ru)式(shi)系統(tong)(tong)在(zai)各個(ge)(ge)領域的(de)(de)(de)廣泛應用(yong)和持續(xu)發展(zhan)奠定堅實基礎。展(zhan)望未來，隨著科技(ji)(ji)的(de)(de)(de)不斷進(jin)步，FPGA 技(ji)(ji)術(shu)將不斷演進(jin)，硬件邏輯(ji)(ji)優(you)(you)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)也必將隨之創新發展(zhan)，為(wei) FPGA 在(zai)嵌(qian)入(ru)式(shi)系統(tong)(tong)中的(de)(de)(de)應用(yong)開(kai)辟更廣闊的(de)(de)(de)天地，帶(dai)來更多令人矚目的(de)(de)(de)可能(neng)性(xing)。讓我們拭目以待(dai)，共同見(jian)證這(zhe)一領域的(de)(de)(de)精彩(cai)變(bian)革。
