使用Vitis加速RFSoC解決方案

Xilinx的Zynq ? UltraScale+ ? RFSoC系列器件是真正具有開創(chuàng)性的一類設備，它將射頻數(shù)據轉換器與信號設備中的高性能處理系統(tǒng)和可編程邏輯融合在一起。值得注意的是，射頻數(shù)據轉換器包括模數(shù)轉換器 (ADC) 和數(shù)模轉換器 (DAC) 以及生成和處理射頻信號所需的所有元件。因此，RF 數(shù)據轉換器提供數(shù)字上變頻器和下變頻器、混頻器和數(shù)控振蕩器。射頻片上系統(tǒng) (RFSoC) 還具有軟決策、低密度奇偶校驗前向糾錯塊，支持最新的前向糾錯 (FEC) 編碼方案，有助于最大限度地提高信道容量。

這種單芯片解決方案為系統(tǒng)開發(fā)人員提供了多項優(yōu)勢，包括緊密集成的解決方案，可顯著減小電路板的尺寸和復雜性，并降低整體功耗。Zynq UltraScale+ RFSoC 還為開發(fā)人員提供直接采樣解決方案。得益于 RF 數(shù)據轉換器中使用的 ADC 和 DAC，直接采樣成為可能。它們提供高采樣頻率（第三代設備中為 10GSPS）和寬模擬輸入帶寬（第三代設備中為 6GHz）。使用直接采樣方法消除了對提供向上或向下轉換的模擬前端的需要。這提供了顯著的系統(tǒng)級優(yōu)勢，因為這些模擬前端不可編程或容易適應支持許可或地理限制，

Zynq UltraScale+ RFSoC 還包含一個 64 位四核 Arm ? Cortex-A53 應用處理單元和一個 32 位雙核 Arm Cortex-R5 實時處理單元（圖 1）。

圖 1：Zynq UltraScale+ RFSoC 框圖概述了解決方案結構。（來源賽靈思）

實時控制和安全應用以及高性能應用可以在 Zynq UltraScale+ RFSoC 處理系統(tǒng) (PS) 中實現(xiàn)。為支持接口，Zynq UltraScale+ RFSoC PS 還支持多種行業(yè)標準接口，例如 GigE、SATA、USB3、PCIe、CAN、I 2 C、SPI 等。同時，可編程邏輯與 GTY 串行器/解串器 (SERDES) 相結合，提供了支持所有通用公共無線電接口 (CPRI) 線路速率和高達 100GE 的能力。

RFSoC 解決方案的開發(fā)將努力利用可編程邏輯，以便從其并行結構提供的吞吐量、確定性和響應性中獲益。當然，使用 Zynq UltraScale+ RFSoC 實施的解決方案會很復雜。軟件無線電、雷達和測試設備就是很好的例子。純粹在寄存器傳輸級 (RTL) 開發(fā)和實施這些算法可能非常耗時，并且會影響上市時間。

實現(xiàn)最佳上市時間同時仍允許開發(fā)人員利用可編程邏輯的并行特性的一種方法是使用 Xilinx 的 Vitis ?統(tǒng)一軟件平臺。Vitis 使用戶能夠將算法從處理系統(tǒng)加速到可編程邏輯。當與 Xilinx 異構片上系統(tǒng)設備或加速卡一起使用時，由于高級綜合和 OpenCL ? ，這種加速成為可能。

使用 Vitis 和 OpenCL 加速

Vitis 使用戶能夠利用 OpenCL 框架在可編程邏輯中實現(xiàn)加速內核。這些加速內核是使用比傳統(tǒng) RTL 更高級的語言定義的。

OpenCL 是一個行業(yè)標準框架，支持異構系統(tǒng)上的并行計算。OpenCL 背后的核心原則之一是無需更改代碼即可啟用跨平臺功能。這允許相同的代碼可以跨 CPU、GPU、FPGA、DSP 等移植，性能擴展取決于平臺的功能。

OpenCL 使用主機和內核模型（圖 2）。每個系統(tǒng)都有一個主機（通常是基于 x86 的）和幾個提供加速的內核，通常是基于 GPU、DSP 或 FPGA 的。為支持 OpenCL 流程，主機應用程序通常使用 C/C++ 開發(fā)并使用 OpenCL API。這些 OpenCL API 允許主機管理加載、配置和執(zhí)行內核的整個應用程序生命周期。在支持跨平臺移植的同時，內核使用OpenCL C語言開發(fā)，基于C語言，但在支持跨平臺移植方面存在局限性。

該模型允許使用 GCC 或 G++ 等標準編譯器編譯主機程序，而內核編譯器是特定于供應商的。

圖 2：該圖顯示了 Open CL 結構如何使主機程序能夠使用標準編譯器，而內核使用特定于供應商的編譯器。（來源：賽靈思）

使用 Xilinx 異構片上系統(tǒng)設備時，Arm 應用程序處理單元是主機，而可編程邏輯實例化內核。Vitis 為開發(fā)人員提供了在針對 Xilinx 異構 SoC 或加速卡時生成、調試和分析主機和內核元素所需的一切。

Vitis 平臺

為了能夠利用 Vitis OpenCL 功能，需要一個基礎平臺。該基礎平臺定義了底層硬件的硬件和軟件配置。硬件平臺使用 Vivado ? Design Suite 創(chuàng)建，提供可用時鐘、高級可擴展接口處理系統(tǒng)/可編程邏輯 (AXI PS/PL) 接口，并中斷 Vitis 編譯器。使用這些接口，Vitis 編譯器可以將加速內核連接到處理系統(tǒng)內存映射中。這允許使用直接內存訪問 (DMA) 和內核控制進行高效的數(shù)據傳輸。該平臺的軟件元素由 PetaLinux 提供，并提供支持賽靈思運行時 (XRT) 的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)（圖 3）。

圖 3：該圖說明了 Vitis 平臺開發(fā)流程。（來源：作者）

當然，在 Vivado 中開發(fā)的基礎平臺也可以包含設計元素和 Vitis 可用的掛鉤。在 Zynq UltraScale+ RFSoC 的情況下，基礎設計可以包括必要的基礎設施，以使用 GTY 收發(fā)器將 RF 數(shù)據轉換器連接到外部接口或在處理器內存空間之間傳輸數(shù)據。

葡萄加速

一旦加速平臺可用，開發(fā)人員就可以開始使用 Vitis 開發(fā)他們的解決方案。使用 Vitis，他們可以實現(xiàn) RF 數(shù)據轉換器和附加 IP 的控制和配置。然后，開發(fā)人員還可以使用 C/C++ 和 OpenCL C 實施所需的 RF 數(shù)據處理算法，以加速解決瓶頸并提高整體系統(tǒng)性能。

為了幫助開發(fā)算法，Vitis 提供了幾個開源加速就緒庫（圖 4）。這些庫包括對數(shù)學、線性代數(shù)、DSP、數(shù)據壓縮，當然還有 AI 的支持。

圖 4：Vitis 開發(fā)環(huán)境提供開源加速就緒庫來幫助設計解決方案。（來源：作者）

實現(xiàn)軟件算法后，開發(fā)人員可以使用 Vitis 提供的軟件和硬件仿真流程來優(yōu)化算法，以便在生成最終引導映像之前在可編程邏輯中實現(xiàn)（圖 5）。

圖 5：Vitis 應用開發(fā)流程在創(chuàng)建最終引導映像之前使用可編程邏輯中的軟件和硬件仿真優(yōu)化算法。（來源：作者）

為了利用可編程邏輯的并行特性，開發(fā)人員可能希望在內核中流水線化或展開循環(huán)、組織內存和 AXI 接口結構。這些優(yōu)化是使用源代碼中的編譯指示實現(xiàn)的。可以使用 Vitis Analyzer 和 Vitis HLS 分析視圖來識別優(yōu)化內核代碼的潛在區(qū)域（圖 6）。

圖 6： Vitis Analyzer 平臺視圖可幫助開發(fā)人員確定優(yōu)化內核代碼的潛在區(qū)域。（來源：作者）

優(yōu)化完成后，開發(fā)人員可以構建最終的引導文件并部署系統(tǒng)以進行下一階段的測試和驗證。

包起來

RFSoC 與 Vitis 的 OpenCL 功能相結合，為開發(fā)人員提供了突破性的緊密耦合解決方案。該解決方案可以通過利用高級語言、庫和框架來提供最具響應性和確定性的解決方案。這種開發(fā)方法支持采用更高級別的系統(tǒng)驅動方法來實施解決方案，從而縮短上市時間。

審核編輯：湯梓紅