基于Handel-C的软硬件协同验证方法

刘舜奎，蔡艺军

（厦门大学 电子工程系，福建 厦门361005）

在数字集成电路的设计中，需要通过仿真来检验设计是否可实现预期的功能。仿真需要为设计项目建立一个测试平台，为设计项目提供尽可能完备的测试激励和可供观测的输出响应，根据输出响应信息可判断设计项目是否可实现预期的功能。随着系统设计复杂性的不断增加，当设计集成度超过百万门后，设计正确性的验证就比设计本身还要困难，系统仿真的实时性很难满足要求。在对复杂电路进行软件仿真时，系统的仿真时间往往占据了设计的大部分，系统某些电路功能的仿真验证常常需要几个小时甚至几天。因此，如何提高仿真效率、减少仿真复杂度、缩短仿真时间，成为系统设计中的关键问题。

为了方便而快速地实现仿真验证，及时得到测试结果，本文提出运用硬件加速的思想，并以OpenGL-ES算法中的坐标变换算法为例，将其作为待验证的IP放在整个OpenGL-ES软件平台上进行测试。利用Handel-C语言对该IP进行FPGA实现，并采用Bus Master DMA的通信方式在软、硬件之间进行通信，实现软硬件协同加速仿真。选用以OpenGL-ES为例是因为该算法为开源的；采用C++实现，存在大量矩阵运算，将其用 FPGA实现，可充分利用硬件并行的特性。同时，也因为Handel-C与C语言的高度相似性，开发周期得到了明显的缩短。

1 OpenGL ES及相关算法分析

OpenGL ES 1.1的绘图主要分两个阶段：几何处理阶段和光栅化处理阶段[1-2]，如图1所示。

图1 OpenGL ES 1.1绘图流水线

本文关注的是几何处理阶段中的坐标转换模块。通过线性代数的方法将物件的三维空间模型进行移动、缩放和变形等，借助由控制物体上每个点的坐标变动，可以实现对物体的移动、缩放和旋转。对应的三种顶点坐标变换算法为平移变换、缩放变换和旋转变换，均通过顶点坐标构成的矩阵相乘来实现，其中旋转变换算法的运算量最大。现以绕任意轴的旋转变换算法为例，简单介绍其实现步骤。

设旋转轴 AB由任意一点A(xa，ya，za)及其方向向量(a，b，c)定义，空间一点Q(xq，yq，zq)绕 AB 轴旋转 θ角到Q′(xq′，yq′，zq′)，则可以通过下列步骤来实现Q点的旋转：

(1)将A点移到坐标原点。

(2)使AB分别绕X轴、Y轴旋转适当角度与Z轴重合。

(3)将 AB绕Z轴旋转 φ。

(4)作上述变换的逆变换，使AB回到原来位置。即：

其 中 ，RAB(θ)=T-1(xa，ya，za)Rx-1(α)Ry-1(β)Rz(θ)Rx(α)T(xa，ya，za)，矩阵T为平移矩阵，R为绕某坐标轴的旋转矩阵，而α、β分别为AB在YOZ平面与XOY平面的投影与Z轴的夹角。

该系统采用的演示程序中，旋转轴为单位轴(nx，ny，nz)，则旋转矩阵 RAB(θ)为如下形式：

2 HANDEL-C及开发流程

本设计采用Handel-C、硬件描述语言和C++协同开发的方式，其一般开发流程如图2所示。

Handel-C的代码默认从顶部开始串行执行到底部，每一条语句占用一个时钟周期[3]。但Handel-C同样支持并行处理机制，这是通过使用关键字“par”来实现的。坐标变换算法中涉及到大量的矩阵乘法运算，而矩阵乘法运算中乘积矩阵的所有元素互相独立、互不相关，可以将其并行实现。因此该设计充分利用了Handel-C的并行机制，使矩阵乘法的效率大大提高。

Handel-C支持和C语言一样的数组形式。Handel-C中的数组可以让所有变量在一个时钟周期内被并行地访问，从而提高变量的存储和读取效率。例如用来求定点数平方根倒数的函数EGL_InvSqrt()中用到了查表法，表的大小只有8×16 bit，而该函数在旋转算法中被大量用到。因此为了提高效率，采用数组的形式定义该表。

但索引一个大数组将耗用大量的硬件资源，这时可以换成用RAM或ROM来实现。Handel-C提供了“ram”或“rom”关键字来解决该问题[4]。例如在旋转变换算法中，涉及到三角函数运算sine和cosine，同样采用查表法来实现，而表的大小为1 024×16 bit，这时必须用ROM来实现，使用“rom”关键字定义该表即可。

由以上特点可以看出，该设计采用Handel-C可以从开发流程的各个环节降低开发难度，从而缩短开发周期。

3 系统设计与实现

3.1 Bus Master DMA

为了满足整个系统的实时数据处理要求，该设计选用PCI Express接口在FPGA与PC之间实现数据传输。当采用8通道的PCI Express数据传输时，可实现4 GB/s的传输速率，满足该系统对数据处理的实时性要求。

本设计采用BMD(Bus Master DMA)的实现方式，BMD的DMA引擎被内嵌在PCI Express架构的endpoint端，负责在系统内存与endpoint之间移动数据。endpoint即为该系统的硬件部分，即内嵌了DMA引擎的坐标变换模块。

3.2 系统硬件设计

采用Handel-C与Verilog混合设计的方法对该系统的硬件平台进行设计，其中较多涉及到调度及状态转换的模块用Handel-C设计，涉及到较为严格的时序要求的模块用Verilog设计。该系统的硬件整体框图(省略BMD控制部分)如图3所示。

其中PC部分为系统软件部分，包括OpenGL-ES中除坐标变换算法以外的其他部分，以及DMA传输控制的软件部分；RX和TX模块分别为DMA的接收和发送引擎，即BMD架构中Initiator Logic模块里的 Rx和Tx。可见，DMA已经内嵌在系统硬件设计中；myram1和myram2为双口RAM，具有独立的数据读写和时钟端口，作为输入和输出缓存，同时隔离了用户IP和PCIe两部分的时钟，为实现双时钟工作提供了条件；genclock为DCM模块，对PCIe的输入时钟进行5分频，得到50 MHz的时钟供用户 ip使用，除了 myram1的 clkb、myram2的clka以及myip的clk为50 MHz外，其他时钟均为250 MHz；control模块为控制信号的跨时钟域转换模块，因为控制信号rx_done_output从频率高的时钟域输出到频率低的时钟域，必须对其进行转换，才能使其在频率低的时钟域内被有效识别。

myip部分内含myTransform IP核，这部分为用户自定义的IP，其内部结构如图4所示。

其中，myTransform模块为由Handel-C转换而来的坐标变换模块，它有 4个数据输入口(angle，x，y，z)和 10个数据输出口(my_m_elements_1～my_m_elements_a)。而myip为1个数据输入口和1个数据输出口，即串行输入和串行输出。为了将myTransform模块封装成myip的串行输入、输出形式，在输入、输出端分别有一个4 bit串/并转换模块4-bit Serial2Par和10 bit并/串转换模块10-bit Par2Serial；而Control_Logic为myip模块的逻辑控制模块，主要实现以下功能：

(1)对各模块的开始（start）与完成（done）信号进行处理，并根据这两个信号对各模块的工作进行调度。包括整个myip模块、myTransform模块、串/并模块和并/串模块。

(2)对外部两个双口ram的读写进行控制，包括地址和写使能信号的控制。

这里的用户IP即myTransform模块，根据用户IP的数据输入、输出形式，只要改变串/并转换的位数和并/串转换的位数，即可实现用户IP模块与myip模块的整合，而无需改变myip模块的接口以及控制信号，为该系统的通用性提供了保证。

3.3 系统软件设计

软件包括两部分：DMA通信部分和OpenGL-ES中除了坐标变换算法以外的其他部分。

DMA通信部分又分为驱动层和应用层接口。驱动层的设计涉及到Windows下PCIe驱动程序的编写，不是本文的讨论重点；应用层接口是在驱动层的基础上生成API，用以在应用程序中进行相关的 DMA操作(主要包括DMA器件的打开和关闭、读写DMA的设置、DMA启动以及DMA各寄存器的读写操作等)。

将原始的OpenGL-ES中坐标变换模块用DMA操作代替：首先打开 DMA器件、复位 DMA器件、设置DMA传输中各寄存器的值，再将输入参数放到相应内存(TLPReadBuffer)中，然后启动DMA操作，将该内存的值通过PCIe传到开发板上进行处理，处理完后的数据再通过DMA写操作写进PC相应的内存（TLPWriteBuffer）中。通过不断读取写操作完成寄存器的值，来判断写操作是否完成。如果写操作未完成，则继续读取该寄存器值来判断，若读取次数超出设定值，则重新启动DMA。当写操作完成时，从相应内存（TLPWriteBuffer）中读取处理完的数据，即为坐标变换模块的返回值。软件工作流程如图5所示。

图5 软件工作流程

启动DMA操作实际上包括启动DMA读和写的操作。DMA硬件会先启动读操作，将内存中的值读入开发板，然后经过用户IP进行处理完后，写回内存。因此只需要确定DMA写操作完成即可，此时整个DMA读写操作也一定完成。

4 性能分析与验证

经过软件仿真验证各模块功能完全正确之后，将该设计进行软、硬件联合验证。

本设计采用的硬件验证平台为Avnet公司的AES-XLX-V5SXT-PCIE50-G开发板，该开发板的FPGA芯片型号为Xilinx公司Virtex5系列的xc5vsx50t[5]。

针对一些运行时间较长的单元，在Handel-C中加入par并行处理进行优化，在ISE11.1中用XST进行综合。表1体现了加入par之前和之后所耗资源的对比。

表1 资源使用情况

由表1可以看出，加入并行处理后资源消耗有所增加，但处于合理范围内。

用ISE11.1对综合后的网表进行实现，生成.bit文件并下载到开发板中，联合软件部分进行协同验证。为了将其与传统Modelsim仿真速度作对比，这里将模块处理复杂度扩大10 000倍，即可明显看出该验证方法的速度优势。表2给出了在PC主频2.66 GHz下，从Rst信号到Done信号之间仿真消耗的时间对比。由表中可看出，本文采用的验证方法在仿真速度上是传统ModelSim仿真的778倍，即使对经过Modelsim优化后的节点进行仿真，也快了202倍。

表2 仿真速度比较

本文用Handel-C设计和实现了OpenGL-ES的坐标变换算法，并将其与软件平台进行软、硬件协同验证。结果表明，Handel-C能够用来实现复杂的算法，并且比传统的HDL设计方法更为高效；通过该方法建立的软、硬件仿真平台对IP进行验证，具有更高的效率。

[1]孙家广.计算机图形学(第三版)[M].北京：清华大学出版社，1999.

[2]Munshi.OpenGL ES common/common-lite profile specification[S].2004.

[3]Celoxica.Handel-C language reference manual[Z].2005.

[4]Celoxica.Handel-C code optimization[Z].2003.

[5]Xilinx.Virtex-5 FPGA user guide[Z].2009.