利用定制位宽在 FPGA 上综合面积与功耗高效的图像处理流水线
硬件体系结构
2018-12-20 v3
摘要
高层次综合(HLS)近年来受到广泛关注,提升了 FPGA 的可编程性。PolyMage 是一种用于图像处理流水线的领域特定语言(DSL),其同样具备 HLS 后端,可在借助 HLS 工具套件的情况下将输入的 DSL 翻译为可在 FPGA 上综合的等价电路。流水线各阶段的数据采用定点数据类型 (alpha,beta) 存储,其中 alpha 与 beta 分别表示整数位与小数位的位数。已知对定点数据类型执行算术运算相较浮点可在功耗与面积上带来显著节省。本文中,我们首先提出一种基于区间算术的范围分析(alpha 分析)算法,用于估算图像处理流水线各阶段存储数据整数部分所需的位数。该分析算法利用各阶段像素信号的同质性对其进行聚类,并执行联合范围分析。其次,我们提出了一种软件架构,以便在 DSL 编译器中便捷部署任意类型的基于区间/仿射算术的范围分析。第三,我们提出了一种使用可满足性模理论(SMT)求解器的新范围分析技术,并表明通过其获得的区间估计非常接近由剖面驱动分析所得的下界。我们在按复杂度递增排列的四个图像处理基准上评估了位宽分析算法:非锐化掩模、下采样-上采样、Harris 角点检测与 Horn-Schunck 光流。例如,在光流上,基于区间分析的方法相较浮点表示分别在面积与功耗指标上实现了 1.4 倍与 1.14 倍的提升;而基于 SMT 求解器的方法相较区间分析在面积与功耗指标上分别实现了 2.49 倍与 1.58 倍的提升。
引用
@article{arxiv.1803.02660,
title = {Synthesizing Power and Area Efficient Image Processing Pipelines on FPGAs using Customized Bit-widths},
author = {Vinamra Benara and Ziaul Choudhury and Suresh Purini and Uday Bondhugula},
journal= {arXiv preprint arXiv:1803.02660},
year = {2018}
}