FPGA in Digital Signal Processing
The document discusses the use of FPGA (Field-Programmable Gate Array) in digital signal processing, categorized as a reference post and published on August 19, 2024, with relevant tags including signal processing and electronic circuits.
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本书介绍高层次综合（HLS）在FPGA应用中的重要性，旨在帮助读者理解HLS在硬件设计中的优势。内容适合高阶本科生和研究生，强调对计算机架构的基本理解，并提供实践案例和小问题以加深理解。主要使用赛灵思的Vivado HLS进行类C代码到RTL的转换，同时鼓励读者探索其他开发工具以掌握HLS概念。
本文讨论了在赛灵思Vivado HLS环境下进行高层次综合（HLS）设计的不同结构，包括顺序化结构和函数流水结构。顺序化结构简单易用，但性能受限，而函数流水结构则适合高码率数据处理。文章还探讨了递归和资源限制对处理速率的影响，以及如何通过重建代码优化HLS设计。书中将通过示例逐步讲解各种优化策略，涵盖数字信号处理、矩阵操作等应用，强调重建代码的重要性和优化策略的实施。
本章讨论了使用Vivado HLS工具设计和优化FIR滤波器的过程，强调了C语言数据类型的选择对性能和资源使用的影响。介绍了如何通过选择合适的位宽和数据类型来优化硬件资源，并探讨了复数FIR滤波器的实现方法。总结了HLS综合过程中的关键特性和基本优化方法，包括循环和位宽优化，旨在帮助设计师编写更高效的硬件匹配代码。
本章探讨了CORDIC算法在计算三角函数和双曲函数中的应用，强调了通过迭代方法计算正弦和余弦值的过程。讨论了舍入方法、二进制运算、任意精度整数表示以及浮点数的使用和优化。特别关注了数据类型选择对资源使用、延迟和精度的影响，并提供了优化CORDIC函数的建议，强调了精度、资源和性能之间的权衡。
本章探讨了离散傅里叶变换（DFT）的硬件实现和优化方法，强调了矩阵向量乘法的性能优化。介绍了浮点运算的高成本及其对性能的影响，提出通过降低精度、循环交换和数组分区等方法来提高性能。此外，讨论了使用一维数组表示S矩阵以减少存储需求，并强调了在FPGA上高效实现DFT的重要性。
本文讨论了日本80年代的经济史，重点介绍了泡沫经济、1985年的广场协议对日本经济的影响，以及经济政策的变化。文中提到，泡沫经济导致房地产和股票价格迅速上涨，而广场协议则使日元升值，影响了出口产业。经济政策在泡沫破裂后转向刺激措施，整体经济形势受到这几个因素的显著影响。
本章节讨论了稀疏矩阵向量乘法（SpMV）的实现与优化，强调了使用Vivado®HLS工具进行性能分析和C/RTL协同仿真的重要性。通过loop_tripcount指令提供循环边界信息，设计者可以对函数性能进行初步估计。章节还介绍了通过流水线、循环展开和数组分块等优化技术提高性能的方法，并指出这些优化需结合具体应用特性进行选择，以实现最佳效果。
文档讨论了分块矩阵乘法的实现，强调了性能优化的重要性，特别是在部分求和的嵌套循环中。通过流类型变量处理矩阵数据，优化了计算过程，确保了函数blockmatmul的有效性。测试平台用于验证输出结果的正确性，并比较了分块矩阵乘法与传统矩阵乘法在资源占用和性能上的差异。
本文讨论了日本的直方图计算和前缀和的优化方法，强调了内存访问对高层次综合（HLS）生成高效硬件的重要性。通过使用dependence指令来处理内存访问的性能问题，并提出了分块和合并的Map-Reduce模式以提高并行性，最终实现了高效的直方图计算。
本节讨论了视频处理中的二维滤波器实现，强调了使用线性缓冲区和窗口缓冲区的优势。通过重构代码以提高数据局部性和缓存效率，系统性能得以提升。还探讨了因果滤波器的原理及边界条件处理方法，提出了多种解决方案以确保输出图像与输入图像大小一致。视频处理算法的特点是数据局部性，适合使用HLS在FPGA上实现。
本章讨论了归并排序的实现与优化，重点介绍了非递归归并排序的代码结构、性能评估及其在FPGA上的优化策略。通过重构代码和使用Vivado HLS的流水线与数据流指令，归并排序的延迟可降低至约$NlogN$个时钟周期，尽管需要额外的存储资源。整体而言，归并排序在比较次数和资源使用上相较于插入排序有显著优势，但在实际应用中需平衡资源与性能。
霍夫曼编码的过程包括确定每个符号的位数、创建码字以及测试平台的实现。通过canonize_tree函数分配符号的编码位数，并通过create_codeword函数生成相应的码字。测试平台读取频率数据并与黄金参考进行比较，确保输出的正确性。霍夫曼编码在数据压缩中广泛应用，但生成码字的过程可能具有挑战性，尤其是在需要频繁创建新码字的情况下。
The document contains a bibliography of references related to various topics in computer science and engineering, including modular SRAM-based memories, high-level synthesis for FPGA systems, algorithms, and data compression techniques, among others. Each entry includes authors, titles, publication details, and relevant URLs or DOIs.
本指南介绍了在GitHub平台上使用Markdown进行《Parallel Programming for FPGAs》翻译的流程，包括排版约定、推荐编辑器、Markdown语言和git的使用。提供了相关链接以帮助参与者快速上手，并详细说明了GitHub的Pull Request操作流程。
本书介绍了利用Vivado HLS工具通过C/C++语言实现FPGA算法加速的过程，旨在降低FPGA开发的门槛。书中包含10个算法实现案例，结合硬件设计考虑和系统优化，帮助开发者提高效率和快速上手。经过志愿者团队的努力，书籍翻译和校订工作已完成，并通过GitHub平台分享，期待更多人了解和应用FPGA开发。
本书旨在通过翻译《Parallel Programming for FPGAs》介绍HLS和FPGA开发，提供电子版pdf和源代码下载链接，欢迎反馈和建议。书籍遵循创作共用署名4.0国际许可证。
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