От C до Silicon: Как реализовать программно-аппаратное решение как аппаратное обеспечение?


13

В свете этого вопроса мне было интересно, существует ли достаточно стандартный процесс превращения программного решения в аппаратную реализацию. Простите меня и мое воображение, но будет ли компилятор, который мог бы взять программу на C и скомпилировать ее в виде схемы транзисторов, резисторов и т. Д. Или, может быть, даже известных печатных плат?

Я понимаю, что мог бы смотреть на этот сценарий с неправильной точки зрения. Исходя из моего собственного опыта, обычно у вас есть какое-то оборудование, которое кто-то реализовал как программное решение (подумайте, аппаратная эмуляция). Существует ли эта концепция в обратном направлении? Как эти крупные компании делают это, например, программное обеспечение или аппаратная IP-маршрутизация?


Смотрите также "почему я не могу автоматически сделать мою однопоточную C-программу многопоточной?"
pjc50

@ pjc50: Где я могу увидеть "почему я не могу автоматически сделать свою однопоточную C-программу многопоточной?" ?
Дэвидкари

Я не имею в виду конкретный пример, но это вопрос, который я видел, люди спрашивали раньше. Это также связано с тем, что аппаратное обеспечение по своей сути параллельно, а программное обеспечение «естественно» последовательно с точки зрения того, как люди думают об этом и пишут программы.
pjc50

Ответы:


11

Нет, не существует стандартного решения для превращения программного обеспечения в оборудование. Вообще говоря, принимая во внимание программное обеспечение, которое не было написано с аппаратной реализацией, нельзя легко преобразовать его в оборудование без огромных потерь и неэффективности. Обычно лучше всего сделать чип с процессором и ПЗУ и поместить программное обеспечение в ПЗУ.

За прошедшие годы появились компиляторы, которые брали код типа «C-Like» и компилировали его в аппаратные средства - во многом так же, как VHDL или Verilog можно компилировать в аппаратные средства. Но главное в том, что это "C-Like", а не C. Вы все равно не можете взять, например, программу на C / C ++, которая вычисляет PI и магически конвертирует ее в аппаратное обеспечение, которое вычисляет PI. Большинство из этих языков C-Line исчезли или не используются ни в каком количестве. Одна из наиболее популярных версий этого - SystemC , но важно отметить, что это не C / C ++ и не полезен для универсального «давайте напишем программное обеспечение, а затем скомпилируем его в аппаратное обеспечение». Вам все еще нужно «написать какое-то оборудование, которое также может быть скомпилировано в программное обеспечение».

Коммутаторы и маршрутизаторы обычно имеют аппаратное обеспечение, которое выполняет большинство наиболее часто используемых и быстродействующих функций маршрутизатора (поиск содержимого в таблицах маршрутизации, управление очередями и т. Д.) На аппаратном уровне, а затем использует ЦП для выполнения всех не столь распространенных функций. (обработка исключений, ошибок, обновлений таблицы маршрутизации и т. д.). Во многом это похоже на работу современного ЦП, где наиболее распространенные коды операций выполняются аппаратно, а иногда некоторые коды операций фактически реализуются в программном обеспечении (например, инструкции с плавающей запятой, когда отсутствует FPU).


SystemC - это не только C ++, но и библиотека C ++. Вы можете использовать любой обычный код C ++, который вам нравится, с SystemC. Тем не менее, SystemC не имеет ничего общего с автоматической генерацией оборудования. Он больше ориентирован на моделирование систем, помогает принимать архитектурные решения и позволяет программным командам начать работу до того, как станет доступно оборудование.
Theran

Это действительно помогает мне понять, почему существует конкретное оборудование, которое выполняет определенные задачи.
Чад Харрисон

Есть много других компиляторов C на HDL, которые были разработаны для этой цели.
Андерсон Грин

5

Наиболее близким был бы C-to-Hardware (C2H) компилятор Altera . Это может сделать то, что вы предлагаете. Но есть вызывающе предостережения. Вы не можете превратить какой-либо код на C в аппаратное обеспечение, и не захотите. Но определенные функции работают довольно хорошо, и вы можете увидеть резкое увеличение производительности.

Как правило, вы бы внедрили программный процессор NIOS II в Altera FPGA. Затем вы должны написать для него код ANSI C, как любой другой процессор. Затем, скажем, одна из написанных вами функций C включает в себя некоторую сложную математику, которая выиграла бы от производительности при параллельном выполнении. Вы вызываете компилятор C2H, скажем, «Внедрение в аппаратное обеспечение», и он по существу превращает эту функцию в периферийное устройство программного процессора NIOS II.

Вот пример кодирования вычисления Мандельброта в ANSI C и последующей реализации его на аппаратном уровне:

Алгоритм Мандельброта, ускоряемый компилятором C2H, приводит к повышению скорости как минимум в 60 раз по сравнению с тем же алгоритмом, работающим на самом быстром процессоре Nios II с использованием уровня оптимизации компилятора 2 (-O2). Это увеличение скорости происходит из-за параллельности и высокой скорости итерации, которую может обеспечить аппаратное обеспечение, что невозможно из универсального процессора.

Возвращаясь к вашему примеру, процессор NIOS II может работать под управлением Linux. А некоторые функции, необходимые для выполнения задач маршрутизации, могут выиграть от аппаратного ускорения. Скорее всего, он будет работать лучше, чем чистый программный маршрутизатор. Но это никогда не приблизится к производительности специально разработанных специализированных ASIC.


1
Xilinx имеет сопоставимый инструмент под названием Vivado HLS (синтез высокого уровня), ранее известный как AutoESL. Применяются аналогичные предостережения: он хорошо выполняет преобразование кода в RTL, если этот код легко преобразовать в RTL.
Theran

@ Theran Я не знал, что у Xilinx был конкурирующий продукт. Я должен проверить это. Благодарность!
embedded.kyle

2

Вы упоминаете "C to Silicon" в своем названии и упоминаете продукты уровня платы в теле. Я просто сосредоточусь на той части уравнения, которая существует -> "C to Silicon". Сам по себе C не является естественным образом подходящим для описания аппаратного обеспечения, поскольку ему не хватает фундаментальной поддержки присущего аппаратному параллелизму, необходимости предотвращения состязаний и других проблем, и он не особенно выразителен в способности представлять эти концепции. Или не так сильно, как Verilog и VHDL.

С-код, который является синтезируемым (то есть может быть преобразован в описание аппаратного обеспечения) и здесь аппаратное обеспечение = цифровая логика, не выиграл бы ни одного конкурса кодирования, оцененного разработчиками программного обеспечения.

Вот список некоторых известных поставщиков, поставляющих инструменты C -> Silicon для потока ASIC.

  • Форте синтезатор

  • Наставник катапульты

  • BlueSpec C

  • Synopsys Synphony (бывшая Synfora)

  • Cadence C-to-Silicon


1

Превращение программного обеспечения в аппаратное обеспечение не является тривиальной задачей, если вы ожидаете разумного оборудования. Аппаратному обеспечению обычно требуется больше архитектуры для тщательного управления использованием ресурсов, которое связано с площадью / стоимостью. Сказав это, есть ряд инструментов, которые принимают C в той или иной форме, позволяют добавлять специфичную для оборудования информацию (например, что такое аппаратный интерфейс?) И генерируют оптимизированное оборудование. Опытные пользователи могут легко получить лучшие результаты за меньшее время, чем RTL с ручным кодированием.

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.