协处理器是一个处理单元，该处理单元与一个主处理单元一起使用来承担通常由主处理单元执行的运算。通常，协处理器功能在硬件中实现以替代几种软件指令。通过减少多种代码指令为单一指令，以及在硬件中直接实现指令的方式，从而实现代码加速。
协处理器连接模型
1.CPU总线连接
2.I/O连接
3.指令流水线连接
指令流水线连接加速器直接连接到CPU的计算内核。通过与指令流水线连接，CPU不能识别的指令可以由协处理器执行。操作数、结果以及状态直接从数据执行流水线向外传递，或接收。单个运算可以实现两个操作数的处理，同时返回一个结果和状态。
I/O连接加速器或指令流水线连接加速器可以与总线连接加速器结合起来。在增加额外的逻辑条件下，可以创建一个加速器，这个加速器运行在一个位于总线连接存储器上的数据块上，通过一个快速、低延时的接口接收命令并返回状态。
在本文中介绍的C-HDL工具组可以实现总线连接和I/O连接加速器，它还能实现连接到PowerPC的APU接口的加速器。尽管APU连接是基于指令流水线的，C-HDL工具组实现了一种I/O流水线接口，该接口具有I/O连接加速器的典型性能。
FPGA/PowerPC/APU接口
FPGA允许硬件设计工程师利用单芯片上的处理器、解码逻辑、外设和协处理器实现一个完整的计算系统。FPGA可以包含数千到数十万的逻辑单元，可以从这些逻辑单元实现一个处理器，如XilinxPicoBlaze或MicroBlaze处理器，或者可以是一个或者更多的硬逻辑单元（如Virtex-4FXPowerPC）。大量的逻辑单元使你可以实现数据处理单元，这些单元与处理器系统一起工作，由处理器对其进行控制或监控。
FPGA作为一种可重复编程的单元，允许你在设计过程中进行编程并对其进行测试。如果你发现了一个设计缺陷，你可以立即对其进行重新编程设计。FPGA还允许你实现硬件运算功能，而这在以前的实现成本是很高的。CPU流水线与FPGA逻辑之间紧密结合，这样就可以创建高性能软件加速器。
图1的模块框图显示了PowerPC、集成的APU控制器以及一个与之相连的协处理器。来自高速缓存或存储器中的指令可以立即出现在CPU解码器和APU控制器上，如果CPU能识别指令，则运行这些指令。
否则，APU控制器或用户创建的协处理器可以对指令做出应答并执行指令。一个或者两个操作数被传递到协处理器，并返回一个结果或状态。APU接口还支持用一个指令发送一个数据单元。数据单元的大小范围从一个字节到4个32位的字。
图1：PowerPC、集成的APU控制器和协处理器
表1：未加速与加速的浮点性能
C代码转换到HDL
采用C到HDL的转换工具将C代码转换到HDL加速器是一种创建硬件协处理器的高效方法。图2所示以及下面详述的步骤总结了C到HDL转换的过程：
图2：C-HDL设计流程
确定是否浮点到定点转换适当。使用库或宏来辅助这种转换，使用一个基线测试向量来分析性能和准确性。使用编译器来重新评估关键函数。
使用C到HDL转换工具将关键的代码段转换到HDL协处理器。
将协处理器连接到APU接口用于最终的测试。
Impulse：C到HDL转换工具
如图3所示的ImpulseC通过结合使用C兼容库函数与ImpulseCoDeveloperC代码到硬件的编译器，使嵌入式系统设计工程师能创建高度并行的、FPGA加速的应用。ImpulseC通过使用定义完好的数据通信、消息传递和同步处理机制，简化了硬件/软件混合应用设计。ImpulseC提供了C代码（例如循环流水线处理、展开和运算符调度）的自动优化以及交互式工具，允许你对每个周期的硬件行为进行分析。
图3.ImpulseC
ImpulseC设计用于面向数据流的应用，但是它也具有足够的灵活性来支持其他的编程模型，包括使用共享存储器。这一点很重要，因为基于FPGA不同的应用具有不同的性能和数据要求。在一些应用中，通过块存储器读和写在嵌入式处理器和FPGA之间转移数据是有意义的；在其它的情况下，流传数通信信道可能提供更高的性能。可以快速建模、编译和评估可选的算法的能力对于实现某个应用最佳的结果来说，非常重要。
在编译时，ImpulseC应用的输出是一组硬件和软件源文件，用于输入到FPGA综合工具。这些文件包括：
用于描述编译硬件进程的自动产生的HDL文件；
用于描述连接硬件进程到系统总线所需的流、信号和存储器组件的自动产生的HDL文件；
附加文件，包括脚本文件，用于输入产生的应用程序到目标FPGA布局布线环境。这种编译进程的结果是一个完整的应用，包括需要的硬件/软件接口，用于在基于FPGA的编程平台上实现。
设计实例
Mandelbrot图形是硬件/软件协同设计的理想选择，因为它具有单个运算密集的函数。通过将关键的函数转移到硬件实现将大大地增加整个系统的速度，使这个关键函数更快。Mandelbrot应用还能清楚地区分硬件和软件进程，使用C-HDL工具很容易实现。
）。利用XPS，我们将PC连接到PowerPCAPU控制器接口，并测试系统。
我们对Mandelbrot图像纹理问题、图像滤波应用和三倍DES加密的性能改善进行了测量。
本文小结
受功率、尺寸和成本的约束，你可能需要做出一个并非理想的处理器选择，通常所选择处理器性能比期望的性能低。当软件代码不能运行足够快时，协处理器代码加速器成为一种很有吸引力的解决方案。你可以在HDL中手动设计加速器或使用C-HDL工具自动将C代码转换成HDL。
编辑：jq
原文标题：如何采用FPGA协处理器实现算法加速
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