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除了复制一个片外FFT计算流水线，还将以下部件加入到系统中：

　　1. 频域的复数乘法被加入到第三个F1T模块中。coef缓冲保存了两百万复数乘法系数。

　　2. 增加了I/O输入和I/O输出内核，对万兆以太网通道上的外部存储器负载进行逼真的建模 。采用这些内核，能够继续纯软件开发，在内核计算流水线完全优化好之后，再集成以太网通道。I/O输入内核在每一时钟周期产生一个采样，I/O输出每一时钟周期占用一个采样。

　　正如片外FFT试验所示，只能适配两个F1T模块，采用POINTS=4。因此，要完成全部计算，数据要通过硬件两次。对于2M点数，系统总吞吐量只有120 MSPS，低于目标150 MSPS。通过把数据长度减小到1M点，能够适配POINTS=8版本，吞吐量达到198 MSPS。这表明，只要能够让POINTS=8版本适配2M点数，就还能提高性能!

　　在图2中，找出全流水线的优化结构是整个设计过程的下一步。首先能够提高的是去掉tmp3缓冲。两边都以同样的方式访问它(转置写和读操作)。因此，可以通过通道把第二和第三个F1T模块直接连接起来。这要求转置内核将其输出写入到外部存储器中，或者通道中，获取内核也是相似的修改。这类修改是由主机动态控制的，因此，可以使用获取内核的一个物理例化。注意，这改变了与外部存储器的连接。但是，根本不用对此担心——OpenCL编译器已经为系统生成了高效的定制外部存储器互联。

　　进一步的改进是，把第二个转置“T”从写到tmp1改为从tmp1读(tmp1中的数据以不同的方式存储，但是效果一样)。这样，转置就不需要本地存储器缓冲了。

　　原来是通过两级来实现转置的：第一，所需的数据被装入到本地存储器中，然后，使用转置地址从本地存储器读取。为高效的使用这类流水线，OpenCL编译器自动将本地存储器系统的缓冲加倍。以这种方式，流水线的装入部分能够将数据装入到一个副本中，而读部分能够从另一副本读取以前的数组。自动双缓冲非常适合的转置算法，但是太昂贵了。相反，重新编写转置内核。这一内核只需要一个缓冲，支持同时读写多个数据点。对这一转置内核的介绍已经超出了本文的范围。

　　经过以上修改后，能够采用POINTS=8配置适配2M点的FFT，吞吐量达到164 MSPS。

4 调度

　　只能适配F1T的两个副本。图3显示了怎样调度数据流，以便完全利用流水线。注意，在稳定状态下，流水线交替处理第二和第三组数据，不需要额外的缓冲。由CPU上运行的主程序控制这种调度，使用动态分析工具进行验证。

5 缓冲分配

　　在OpenCL系统中，主程序控制了包含那个缓冲区的DDR块。DDR块只要不是同时读写，在读操作或者写操作时的效率最高，因此，在两个DDR块之间按以下原则来分配5个缓冲：

　　• DDR块#0分配input和tmp2。

　　• DDR块#1分配tmp1、coef和out。

　　给DDR块分配一个缓冲就是在OpenCL主程序中修改一行代码。编译器和底层平台完成其他任务。能够自动完成这一过程，在2-DDR和4-DDR电路板上进行了试验，为每一块电路板找到缓冲到存储器块的最佳映射。

6 结论

　　在本文中，介绍了怎样使用为FPGA提供的Altera OpenCL SDK，设计2M点数频域滤波器。使用软件类型的仿真对所有功能进行了验证。每一个硬件编译都能够正确工作。并没有打开硬件仿真器，也不用担心时序收敛问题。

参考文献：

　　[1]D. H. Bailey. FFTs in external of hierarchical memory Proc. of ACM/IEEE Conf. on Supercomputing’89 (SC89), 1989, 234-242

　　[2]FFT (1D) Off-Chip Design Example.[EB/OR] https://www.altera.com/support/support-resources/design-examples/design-software/opencl/fft-1d-offchip.html

关键词： FPGA 频域滤波器 OpenCL 201511