引言

現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計許多都是由C/C++,Python等高級語言來完成，而且這些系統(tǒng)越來越復(fù)雜，涉及到的算法的運算量也越來越大，許多算法需要用硬件實現(xiàn)來滿足算法的實時性要求.FPGA是一種可編程的邏輯器件，它具有便于修改，調(diào)試，并能并行地完成大量的運算，從而提高算法的實時性，并且隨著硬件制造水平不斷地提高，F(xiàn)PGA的資源越來越大，工作頻率也越來越高，使得能在其上面完成的算法也越來越復(fù)雜.但是傳統(tǒng)的軟硬件分開設(shè)計的方法由于軟硬件設(shè)計者采用不同的設(shè)計語言，存在軟硬件設(shè)計者之間難以溝通導(dǎo)致設(shè)計周期長等問題，這種設(shè)計方法已不能滿足快速地增長的市場要求，如何將這些系統(tǒng)設(shè)計中的算法快速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的硬件來實現(xiàn)，需要新的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法.當前基于C/C++的軟硬件協(xié)同設(shè)計，有一個SystemC 標準化組織一直致力于這個工作，也有少量商業(yè)化工具例如Syn-opsys 公司Synphony C Compiler 和Calypto Design Sys-tems 公司的Catapult SL Synthesis 可以將C/C++算法轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的硬件.Python是一種簡單易學(xué)并且功能強大的編程語言，有許多算法是由Python來實現(xiàn)，而且這些算法很多是免費.開源的，和C/C++類似需要如何完成基于Python的軟硬件協(xié)同設(shè)計.

1 基于Python 的軟硬件協(xié)同設(shè)計發(fā)展

由于Python的強大的軟硬件描述能力，近年來許多研究者在Python的軟硬件協(xié)同設(shè)計方面進行了許多研究，其中Logaras E 提出了一種稱為SysPy（System Py-thon）可以使用Python 來描述硬件并將其自動轉(zhuǎn)換為VHDL,Zhang mi采用PDSDL（Dynamic System Descrip-tion Language）來進行系統(tǒng)建模和校驗并可將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為Verilog的硬件描述，特別是Decaluwe J提出一種稱為MyHDL 的Python 擴展包來進行軟硬件協(xié)同設(shè)計，Villar J I采用MyHDL 完成了一個接口設(shè)計實例.這些開發(fā)工具各自具有自己的一些特點，但是他們有一點是相同，就是采用Python來進行軟硬件協(xié)同設(shè)計.下面以MyHDL為例介紹基于Python的軟硬件協(xié)同設(shè)計.

2 基于Python 的MyHDL 包簡介

MyHDL采用Python擴展包的形式使其能支持硬件設(shè)計和仿真并在仿真結(jié)果符合要求后可將軟件算法自動轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的采用Verilog 或VHDL 硬件描述，由于MyHDL包是基于Python的硬件擴展，下面主要對MyH-DL硬件方面的一些主要特點做簡要介紹.

2.1 數(shù)據(jù)類型

標準Python的int類型已經(jīng)具有許多硬件設(shè)計所需要特征，但是在硬件設(shè)計中由于包含許多位操作和處理，MyHDL設(shè)計了intbv類，提供索引和切片操作來支持位的操作和處理.

2.2 模塊，端口和信號

在MyHDL采用函數(shù)來對硬件的模塊進行建模，My-HDL也有信號對象，類似于VHDL語言的信號，采用信號作為函數(shù)的參數(shù)來定義模塊的端口.

2.3 發(fā)生器

發(fā)生器是MyHDL 的一個關(guān)鍵概念，用來建立并發(fā)性模型，對應(yīng)于Verilog的always塊或者VHDL的進程.

2.4 自動轉(zhuǎn)換

在一定限制條件下，MyHDL使用toVerilog（）或者toVHDL（）函數(shù)將MyHDL設(shè)計自動轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的Veril-og或者VHDL代碼，如果符合MyHDL可綜合子集的要求，就可使用MyHDL完成可硬件綜和的代碼并在FPGA上實現(xiàn).

2.5 仿真

MyHDL通過Cosimulation對象使其能支持仿真，對于自動轉(zhuǎn)換的Verilog 代碼或者VHDL 代碼，MyHDL 還可作為硬件校驗語言來對轉(zhuǎn)換后的Verilog或VHDL進行協(xié)同仿真和校驗.

3 采用MyHDL 的硬件設(shè)計優(yōu)點

Verilog和VHDL是當前的主流硬件設(shè)計語言，但是使用基于Python的MyHDL作為硬件設(shè)計也具有許多優(yōu)點使得其可以作為設(shè)計者特別是硬件設(shè)計的初學(xué)者另外一種較好的選擇.

3.1 MyHDL使用成本低

MyHDL是免費的并且開源，在使用MyHDL設(shè)計的工具鏈中同樣可以使用大量的免費工具比如ICArus,IVERILOG仿真工具，GTKWAVE查看仿真波形，從而可以減少設(shè)計成本.

3.2 在硬件設(shè)計中使用先進的軟件開發(fā)技術(shù)

由于Python本身是一種軟件開發(fā)語言，現(xiàn)代軟件開發(fā)的先進方法比如快速應(yīng)用開發(fā)，測試驅(qū)動開發(fā)都在Python上得以體現(xiàn)，由于硬件描述語言的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)具有一定的相似性，采用MyHDL可以使用最新的軟件開發(fā)技術(shù).

3.3 軟硬件設(shè)計可以采用同樣的開發(fā)環(huán)境

Python是算法實現(xiàn)的一種理想的語言，很多算法都由Python實現(xiàn)，通常算法的軟硬件實現(xiàn)由不同工程師來實現(xiàn)，軟件工程師使用Python,硬件工程師使用通用的硬件描述語言，例如Verilog或VHDL,硬件工程師和軟件工程師之間存在一條鴻溝，而采用MyHDL,就可以在同一個Python環(huán)境實現(xiàn)算法設(shè)計，仿真和校驗.

3.4 其他優(yōu)點

對于沒有一定硬件設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計者，通常采用Verilog 設(shè)計會混淆阻塞和非阻塞賦值，不清楚Verilog的符號運算，采用VHDL進行設(shè)計又不理解VHDL的信號概念，會覺得VHDL的類型和位寬轉(zhuǎn)換很繁瑣，但是如果采用基于Python 的MyHDL 包作為設(shè)計語言，這些都將不成為問題.

4 基于Python 的軟硬件設(shè)計流程

在現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計中，軟件工程師采用Python等高級語言，而硬件系統(tǒng)設(shè)計多采用Verilog,VHDL硬件描述語言，在如何將Python描述的軟件映射為相應(yīng)的硬件上，軟硬件開發(fā)者之間的交流存在一道天然的鴻溝，而采用Py-thon來進行軟硬件協(xié)同設(shè)計就可以解決這一個問題，基于Python的軟硬件協(xié)同設(shè)計的流程如圖1所示.

首先采用Python進行系統(tǒng)設(shè)計，然后根據(jù)系統(tǒng)性能要求進行軟硬件劃分，對于系統(tǒng)性能要求比較高的部分采用Python的MyHDL擴展包的形式來由硬件實現(xiàn)，同時采用Python來編寫硬件測試平臺.測試仿真如果不符合系統(tǒng)設(shè)計要求可以重新進行軟硬件劃分，如果測試仿真結(jié)果不正確，可重新修改.仿真通過后可以用MyHDL擴展包自動將Python轉(zhuǎn)換為Verilog代碼，這時的Python測試平臺無需修改還可以與轉(zhuǎn)換后的Verilog代碼一起進行混合仿真，如果仿真通過就可以進行硬件的綜合，下載，測試階段，這與傳統(tǒng)的硬件設(shè)計過程相同.

5 結(jié)語

從上面分析可以看出基于Python的MyHDL既是一種軟硬件協(xié)同設(shè)計方法，同時其也是Python的擴展包，使得整個開發(fā)過程僅使用一種Python語言，并可以很方便地將一個軟件算法快速地轉(zhuǎn)換為其相應(yīng)的硬件實現(xiàn)，從而完成一個軟硬件系統(tǒng)設(shè)計.由于Python目前的可綜合子集的限制和其本身還處在發(fā)展階段，基于Python的軟硬件設(shè)計還主要用于系統(tǒng)的建模方面，將其用于芯片設(shè)計的應(yīng)用還不是很多，有研究者比較過MyHDL與傳統(tǒng)硬件設(shè)計語言的實現(xiàn)，對于小規(guī)模的應(yīng)用優(yōu)勢不是很明顯.但是隨著現(xiàn)代系統(tǒng)的算法越來越復(fù)雜性，系統(tǒng)規(guī)模也不斷增大，相對于傳統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法采用Python來進行軟硬件協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢就會體現(xiàn)出來，系統(tǒng)設(shè)計.仿真.校驗的速度會大大提高，采用Python進行系統(tǒng)設(shè)計的產(chǎn)品能更快地進入市場.隨著基于Python系統(tǒng)設(shè)計方法和工具的發(fā)展，基于Python的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法將會有廣泛的應(yīng)用前景.