C语言与硬件描述语言(HDL)协同设计：使用C语言进行FPGA编程与SystemVerilog接口（三）

目录

一、案例分析

具体应用案例：

本节将介绍两个具有代表性的C-to-FPGA设计案例，分别是图像滤波器和快速傅里叶变换（FFT）器。这两个案例分别代表了典型的数字信号处理（DSP）应用和数学运算密集型应用，展示了C-to-FPGA设计思路、代码实现、接口定义以及协同设计过程。

案例一：图像滤波器

设计思路： 设计一个基于C代码的二维卷积核（如Sobel边缘检测滤波器）应用于图像处理，通过C-to-HDL编译器将其转化为硬件加速器，实现高效的实时图像滤波。

C语言代码实现：

#define KERNEL_SIZE 3
int sobel_filter(int img[H][W], int out[H][W]) {
    int Gx[KERNEL_SIZE][KERNEL_SIZE] = {{-1, 0, 1}, {-2, 0, 2}, {-1, 0, 1}};
    int Gy[KERNEL_SIZE][KERNEL_SIZE] = {{-1, -2, -1}, {0, 0, 0}, {1, 2, 1}};
    
    for (int i = KERNEL_SIZE/2; i < H - KERNEL_SIZE/2; ++i) {
        for (int j = KERNEL_SIZE/2; j < W - KERNEL_SIZE/2; ++j) {
            int gx = 0, gy = 0;
            for (int ki = 0; ki < KERNEL_SIZE; ++ki) {
                for (int kj = 0; kj < KERNEL_SIZE; ++kj) {
                    gx += img[i + ki - KERNEL_SIZE/2][j + kj - KERNEL_SIZE/2] * Gx[ki][kj];
                    gy += img[i + ki - KERNEL_SIZE/2][j + kj - KERNEL_SIZE/2] * Gy[ki][kj];
                }
            }
            out[i][j] = sqrt(gx * gx + gy * gy);
        }
    }
    return 0;
}

上述C代码实现了Sobel边缘检测滤波器，通过计算图像像素点周围3x3邻域内像素与卷积核的乘积累加得到梯度值，最后取梯度模长作为输出。

接口定义：

interface sobel_filter_intf (
    input logic clk,
    input logic rst_n,
    input logic [7:0] img_data[H-2][W-2],
    output logic [7:0] filtered_data[H-2][W-2]
);
// Control signals for streaming interface
logic start, done;
// Internal signals for pipelining and buffering
logic [7:0] img_buffer[H-2][W-2];
// ... additional signals for internal control and synchronization ...
endinterface

接口定义了图像数据输入和滤波后数据输出的信号，同时包含启动（start）和完成（done）信号，用于控制整个滤波器的工作流程。内部还定义了缓冲区和控制信号，以支持流水线化和数据同步。

协同设计过程：

使用C-to-HDL编译器（如 HLS）对C代码进行编译，生成HLS描述文件（.prj）和模块。在HLS工具中设置优化策略（如流水线、资源平衡、数据复用等），进行综合和性能分析。定义合适的时序约束，确保设计满足系统时钟频率要求。使用HDL综合器（如 ）将HLS生成的模块综合为门级网表。进行功能仿真和时序仿真，验证设计功能正确性及时序收敛。将综合后的设计导入FPGA开发工具，进行布局布线、时序签核、生成比特流文件。下载比特流到FPGA板卡，进行硬件验证，确保实际运行效果符合预期。

设计结果与优化策略：

案例二：快速傅里叶变换（FFT）器

设计思路： 实现基于C代码的Radix-2 -Tukey FFT算法，通过C-to-HDL编译器将其转化为硬件加速器，用于高效地计算离散傅里叶变换（DFT）。

C语言代码实现：

void fft_radix2(float complex in[N], float complex out[N]) {
    if (N == 1) {
        out[0] = in[0];
        return;
    }
    
    float complex tmp[N/2];
    float complex twiddle[N/2];
    
    for (int k = 0; k < N/2; ++k) {
        twiddle[k] = cexp(-2 * M_PI * I / N * k);
    }
    
    for (int k = 0; k < N/2; ++k) {
        tmp[k] = in[k] + in[k+N/2] * twiddle[k];
        out[k+N/2] = (in[k] - in[k+N/2]) * twiddle[k];
    }
    
    fft_radix2(tmp, out);
    fft_radix2(out+N/2, out+N/2);
}

上述C代码实现了递归的Radix-2 FFT算法，通过分治法将输入序列分为两半，分别进行FFT计算，然后通过蝶形运算合并结果。

接口定义：

interface fft_intf (
    input logic clk,
    input logic rst_n,
    input logic [31:0] in_real[N],
    input logic [31:0] in_imag[N],
    output logic [31:0] out_real[N],
    output logic [31:0] out_imag[N]
);
// Control signals for streaming interface
logic start, done;
// ... additional signals for internal control and synchronization ...
endinterface

接口定义了实部和虚部输入/输出信号，以及启动（start）和完成（done）信号，用于控制FFT模块的工作流程。内部还包括其他控制信号以支持内部操作的协调。

协同设计过程： 类似案例一，通过C-to-HDL编译器编译C代码、设置优化策略、进行综合与仿真、布局布线、时序签核、生成比特流，最后在FPGA板卡上进行硬件验证。

设计结果与优化策略：

总结来说，以上两个案例展示了C-to-FPGA设计的具体实践，包括C语言代码实现、接口定义以及协同设计过程。通过对设计结果的分析和优化策略的探讨，我们可以了解如何针对特定应用场景有效利用C-to-FPGA技术实现高性能、低功耗的硬件加速器。

二、结论 总结C语言与HDL协同设计在FPGA编程与接口中的关键要点和优势：

关键要点：

优势：

展望未来发展趋势，探讨新技术对C语言与HDL协同设计的影响：

RISC-V软核：

High-Level （HLS）技术发展：

综上所述，C语言与HDL协同设计在FPGA编程中展现出显著的优势，简化了设计流程，提升了设计效率，且随着RISC-V软核的普及和HLS技术的持续进步，这一模式将更加灵活、高效，并有望进一步融合软件工程实践，推动FPGA设计进入更广泛的开发者群体。

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