惊人!Python+FPGA 实现FPGA开发大提速?!!

作者:清风流云

背景:
早年,关于FPGA的开发都是基于硬件描述语言,从开始的VHDL到现在更为流行的Verilog,软件应用也从由最开始的汇编语言发展到现在的c/c++实现,这些都是目前为大多数FPGA开发者所熟悉的FPGA发展路程。上个月,IEEE收录了一篇关于使用Python开发FPGA应用的论文,Python+FPGA会擦出怎样的火花呢?

Python + Zynq=PYNQ:
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。

基于PYNQ运行用于边沿检测的Redsharc 系统

基于PYNQ运行用于边沿检测的Redsharc 系统

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(下图所示),帮助我们更好地理解了Python + FPGA开发环境的性能和能。表中可以看出,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。

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