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FPGA 培训专家 www.zxopen.com 夏老师推荐：惊人！Python+FPGA 实现 FPGA 开发大提速？！！夏宇闻老师昨天在微信上推荐了一个帖子，说的是有人用 Digilent 的 PYNQ-Z1 板卡实现了超强的加速性能。当下 Python 的风头无人能及，而当 Python 遇上 Zynq 之后，所创造的生产力竟然也是骇人。虽然不甚了解，但不妨热切关注一下，说不定 FPGA 主流开发下一步就会踏上这条道路了呢？参考资料链接：http://www.sohu.com/a/146288925_292853 http://www.openhw.org/module/forum/thread-656190-1-1.html 惊人！Python+FPGA 实现 FPGA 开发大提速？！！ 2017-06-05 17:40 背景早年，关于 FPGA 的开发都是基于硬件描述语言，从开始的 VHDL 到现在更为流行的 Verilog，软件应用也从由最开始的汇编语言发展到现在的 c/c++实现，这些都是目前为大多数 FPGA 开发者所熟悉的 FPGA 发展路程。上个月，IEEE 收录了一篇关于使用 Python 开发 FPGA 应用的论文，Python+FPGA 会擦出怎样的火花呢？ Python + Zynq=PYNQ 上个月中旬，在美国纳帕举行的第 25 届关于可编程计算机器领域 IEEE 国际讨论会上，一篇名为“评估通过 Python 快速开发异构处理器 FPGA 应用性能”的短篇论文获得了最佳短篇论文奖。这篇论文主要讨论了 Python 开发 FPGA 应用的优势和效率，论文中针对 Digilent 的 PYNQ-Z1 板卡（内部集成一个 Xilinx Zynq SoC），通过支持 Python 编程和 Jupyter Notebooks 框架的 PYNQ 开发环境，应用 Python 对此板卡进行开发编程，并最终评估开发结果的优势和效率。至芯科技论坛 www.fpgaw.com

FPGA 培训专家 www.zxopen.com 值得一提的是，发表这篇论文的作者都是业界大佬，包括高级计算机科学家 AndrewG.Schmidt、计算机科学家 Gabriel Weise 以及来自美国南加州大学工程技术科学协会的研究室主任 Matthew French。在论文中，Matthew French 教授主要就利用 PYNQ 开发环境，应用 Python 语言对 Xilinx Zynq 器件进行编程应用开发时对 FPGA 器件的影响、性能结果以及瓶颈影响进行了评估。此外，各位教授就基于 Python 的开发结果与已经存在的基于 C 语言的开发及手动开发结果进行了比较分析。在论文中，各位教授还对 PYNQ 开发环境的优缺点进行了阐述：首先来说，PYNQ 应用开发框架是一个开源的开发环境，提供了标准的可以约束芯片 I/O 引脚的“Overlay”比特流，同时，开发人员可以在此开发环境中，利用 Python 对 FPGA 进行快速编程开发。此外，PYNQ 开发环境内部集成标准的编程范式，支持 HDMI 和视频流的输出输出，同时具有两组 12pin 的 PMOD 连接器和一个兼容 Arduino 的连接器（可以连接或配置为 Arduino 系列板卡）。其中，默认的 overlay 中实例化了多个可以驱动多 I/O 接口的微 Blaze 处理器核，也可以配置一些支持图像滤波功能和试验 SIMT（单指令，多线程）编程软逻辑 GPU 的 overlay。同时，PYNQ 也提供了支持比特流编程的 API 和可扩展的通用 Python 库和包，并且可以通过存储映射 I/O（MMIO）直接寻址可编程逻辑单元，另外还支持 DMA 交易（不需要经过器件驱动和核模块之间的不断握手确认）。至芯科技论坛 www.fpgaw.com

FPGA 培训专家 www.zxopen.com 其次，就目前来说，PYNQ 还不支持任何高级的综合，也无法将 Python 应用直接移植到 FPGA 中。这就意味着，开发者依然原型必须使用 FPGA 来创建一个设计，即当 PYNQ 提供一个支持板卡 IO 接口的 Overlay 框架以时，任何用户逻辑依然必须由开发者亲自创建并综合。不过，开发者仍然可以使用高级综合工具或上面提到的 Python-to-HDL 工程来完成这个任务，但是最终，开发者依然需要基于此设计并创建一个整合了 Python 代码比特流文件。也正是由于 PYNQ 存在这方面的缺陷，论文的作者并没有简单依赖现存的 PYNQ API 接口和 overlay，他们开发出一个基于 Redsharc 项目的特定应用程序内核进行研究。结论结果如何呢？论文最后，作者对给出了 Python 开发 Zynq 应用的各项评估结果。结果中给出了通过 c/c++实现这项研究的一般图像处理管道性能，以及定制的硬件加速至芯科技论坛 www.fpgaw.com

FPGA 培训专家 www.zxopen.com 器和 Python 实现的性能结果（下图所示），帮助我们更好地理解了 Python + FPGA 开发环境的性能和能。表中可以看出，结果十分明显，通过 PYNQ 实现较 c 实现速度提高了 30 倍之多，更甚者，从结果中可以看出，当 Python 实现时有更加有效的可用库时，比如 OpenCV，其性能可以增长更多。 Python 软件实现和 FPGA 性能潜力的结合是一个非常有意义的工作，将会开创出一个类似于树莓派和 Arduino 的广大的开发者社区。 Python+FPGA 是一个广阔的未经勘察过的领域——一个全新的更加高效的开发空间 ——通过 PYNQ 开发环境将会吸引更多的系统开发者加入的领域。 PYNQ 项目简介 PYNQ 是 Xilinx 的一个的开源项目。它旨在使基于 Xilinx ZYNQ 的嵌入式系统设计更加容易。通过使用 Python 语言及其库文件，设计者能够充分发挥 ZYNQ PL 部分和 PS 部分的各自优势去设计更加强大的、有意义的嵌入式系统。 PYNQ 使得用户能够实现多种高性能的嵌入式应用，包括：并行硬件执行高帧率视频处理硬件加速算法实时信号处理高带宽 IO 低延时控制至芯科技论坛 www.fpgaw.com

FPGA 培训专家 www.zxopen.com 关键的技术 Jupyter Notebook 是一种基于浏览器的交互式计算环境。 Jupyter Notebook 能够创建多种文件（动态代码、交互式控件、图表、解释性文本、方程式、图像、视觉等）。在 Jupyter Notebook 环境下使用 python 可以简便地为 PYNQ-Z1 编程。通过 python，开发者能调用可编程逻辑部分的硬件库。硬件库可以加速 PYNQ-Z1 上运行的软件代码，还可以自定义硬件平台和接口。 PYNQ 镜像是一个可以引导的 Linux 镜像，其中包含 pynq python 包、其他开源包。至芯科技论坛 www.fpgaw.com

FPGA 培训专家 www.zxopen.com 使用 PYNQ 需要什么软件？ Jupyter Notebook 是基于浏览器的接口，所以需要一个兼容的网页浏览器，从而使用 python 去编程。为了更高的性能，用户也可以使用 C/C++去编程。此时，需要支持 PYNQ-Z1 的、免费的 Xilinx SDK 软件。用户也可以使用其他第三方的软件开发工具。为了增加新的硬件库，所以需要 Xilinx 或第三方的硬件设计工具。 Xilinx Vivado 免费版完全支持 PYNQ-Z1。 PYNQ-Z1 板卡资源处理器：双核 ARM Cortex-A9 FPGA：1.3M 可重构逻辑内存：512MB DDR3/FLASH 存储：Micro SD 卡插槽视频：HDMI 输入/输出至芯科技论坛 www.fpgaw.com

FPGA 培训专家 www.zxopen.com 音频：Mic 输入，Line 输出网络：10/100/1000 以太网扩展口：连接到 ARM PS 端的 USB Host IO 接口：1×Arduino 口，2×Pmod (49GPIO) GPIO: 16GPIO Other I/O：6 个用户 LEDs，4 个按键开关，2 个拨码开关尺寸：87mm × 122mm PYNQ 资源下载从 PYNQ GitHub 上可以下载所有 PYNQ 项目的源代码。如果用户想加入或联系 PYNQ 项目团队，可以在 PYNQ support forum 上发布信息。 PYNQ 资料百度网盘下载地址：http://pan.baidu.com/s/1dF60nPv 密码: 32vb PYNQ 示例 OpenCV 人脸识别 ADC 波形采集 PWM 发生器至芯科技论坛 www.fpgaw.com

FPGA 培训专家 www.zxopen.com 具体的参考示例请访问 http://www.pynq.io/examples.html PYNQ 官方网站 http://www.pynq.io/home.html PYNQ-Z1 开发板简介参考信息链接：https://item.taobao.com/item.htm?id=548613760274 PYNQ-Z1 开发板支持 PYNQ 项目，这是一个新的开源框架，使嵌入式编程人员能够在无需设计可编程逻辑电路的情况下即可充分发挥 Xilinx Zynq All Programmable SoC（APSoC）的功能。与常规方式不同的是，通过 PYNQ，用户可以使用 Python 进行 APSoC 编程，并且代码可直接在 PYNQ-Z1 上进行开发和测试。通过 PYNQ，可编程逻辑电路将作为硬件库导入并通过其 API 进行编程，其方式与导入和编程软件库基本相同。 PYNQ-Z1 开发板是 PYNQ 开源框架的硬件平台。在 ARM A9 CPU 上运行的软件包括：载有 Jupyter Notebooks 设计环境的网络服务器 IPython 内核和程序包 Linux FPGA 的基本硬件库和 API 对于想通过提供新的硬件库来扩展基本系统的设计人员，Xilinx Vivado WebPACK 工具可免费获得。至芯科技论坛 www.fpgaw.com

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