浮点运算加速——FPGA在Linux系统中的应用（fpgalinux）

计算机中常用的浮点运算是求解实数的运算，从早期的运算机开始，具有的复杂的浮点运算已经运用在多个系统和软件来设计，例如桌面处理器和图形图像软件，但是这种运算速度较慢，性能较低，在某些情况下会影响运算效率。一种比较有效的方法来加速浮点运算是使用FPGA（可编程逻辑控制器），它可以实现软件相同的功能，但具有更高的处理性能，更低的耗能和更快的速度，因此被广泛用于智能装置和网络服务器等嵌入式系统中。

随着FPGA的发展和想象力，它的使用开始进入一个更广泛的范围，尤其是在Linux系统中，使用FPGA加速浮点运算成为可能。首先，Linux系统支持FPGA，允许将它作为一种计算设备，从而可以在系统软件和硬件来设计复杂的项目；其次，Linux系统中使用的FPGA可以实现任何复杂的运算过程，同时运行的不仅仅是浮点运算，而是离散时间系统，这可以实现浮点运算即时计算和高精度计算；最后，Linux系统具有开放性，扩展性强的特点，因此开发人员可以针对不同的FPGA芯片设计，使其具有更强调的加速功能。

例如，我们可以在Linux系统中使用Verilog HDL来编写FPGA程序，用来指定FPGA片内部和外部总体逻辑，加入如下算法：

module floating_point(a, b, c);

input [31:0]a, b; //位宽为32

output [31:0]c;

wire[31:0] a_reg, b_reg, c_out;

assign c_out = a_reg + b_reg;

always @ (a,b)

begin

a_reg = a[30] ? $signed(a):$unsigned(a);

b_reg = b[30] ? $signed(b):$unsigned(b);

c = c_out;

end

endmodule

这段程序实现的是32位宽的浮点运算，从浮点数的定义窗口转换为有符号数和无符号数，来实现加法运算。对应硬件的实现：

上图是基于这段程序的FPGA实现，可以看到浮点运算的实际实现是一个两个输入、一个输出的模块，分别实现流逝时数和硬件结构，可以获得较实际更高效率的四则运算。

通过FPGA加速在Linux系统中使用浮点运算可以获得更高效率和更低能耗，降低了软件程序的工作几率，主动转化工作风格和计算方式，因此在嵌入式系统和物联网领域被广泛使用。