使用FPGA解決DSP設(shè)計難題

圖3：傳統(tǒng)DSP中的MAC實現(xiàn)方案

而FPGA提供了許多不同的實現(xiàn)和優(yōu)化選擇。如果需要高資源效率的實現(xiàn)，MAC引擎法則相當不錯。還是以31抽頭濾波器為例來說明濾波器規(guī)范對所需邏輯資源的影響，這種實現(xiàn)方案的框圖如圖4所示。

圖4：FPGA中的MAC引擎FIR濾波器

這種設(shè)計需要存儲器存儲數(shù)據(jù)和系數(shù)，可以混合采用FPGA內(nèi)部的RAM和ROM。RAM用于存儲數(shù)據(jù)樣本，故而采用循環(huán)的RAM緩沖器實現(xiàn)。字的數(shù)量與濾波器抽頭數(shù)相等，位寬按樣本大小設(shè)置。ROM用于存儲系數(shù)。在最差情況下，字的數(shù)量與濾波器抽頭的數(shù)量相等，但如果存在對稱，則可以減少字的數(shù)量。位寬必須足以支持最大的系數(shù)。因為數(shù)據(jù)樣本和系數(shù)數(shù)據(jù)都隨每個周期改變，所以需要全乘法器。累加器負責將產(chǎn)生的結(jié)果累加起來。因為隨著濾波器采集數(shù)據(jù)，累加器的輸出會隨每個時鐘周期改變，所以需要捕捉寄存器。當全套N個樣本完成累加后，輸出寄存器負責捕捉最終結(jié)果。

如果采用MAC模式，DSP48則非常適合，因為DSP48Slice內(nèi)含輸入寄存器、輸出寄存器和加法器單元。實現(xiàn)31抽頭MAC引擎需要的資源包括一個DSP48、一個18kb塊RAM和9個邏輯片。另外，還需要一些邏輯片用于采樣、系數(shù)地址生成和控制。如果FPGA內(nèi)置有600MHz的時鐘，則在一個-3速度等級的Xilinx7系列器件中，該濾波器能夠以19.35MHz或1,935MSps的輸入采樣速率運行。

如果系統(tǒng)規(guī)范需要更高性能的FIR濾波器，則可采用并行結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。圖5顯示了直接I型實現(xiàn)方案的框圖。

圖5：FPGA中的直接I型濾波器

直接I型濾波器結(jié)構(gòu)能夠在FPGA中實現(xiàn)最高性能。這種結(jié)構(gòu)(通常也被稱作脈動FIR濾波器)采用流水線和加法器鏈，使DSP48 Slice發(fā)揮出最高性能。輸入饋送到用作數(shù)據(jù)樣本緩沖器的級聯(lián)寄存器；每個寄存器向DSP48提供一個樣本，然后乘以對應(yīng)的系數(shù)；加法器鏈存儲部分乘積，然后依次相加，從而得到最終結(jié)果。

這種設(shè)計無需外部邏輯電路支持濾波器，并且該結(jié)構(gòu)可擴展用于支持任意數(shù)量的系數(shù)。因為沒有高扇出的輸入信號，所以這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)最高性能。實現(xiàn)31抽頭FIR濾波器僅需要31個DSP48邏輯片。如果FPGA內(nèi)置有600MHz的時鐘，則在一個-3速度等級的Xilinx7系列器件中，該濾波器能夠以600MHz或600MSps的輸入采樣速率運行。

從這個實例可以清晰地看出，F(xiàn)PGA不僅在性能上顯著超越了傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理器，而且要求的時鐘速率也顯著降低(因此，功耗也顯著降低)。

這個實例只反映了采用PFGA實現(xiàn)FIR濾波器的兩種技術(shù)。為了充分利用數(shù)據(jù)采樣率規(guī)范，可對該器件進行進一步定制，此時，數(shù)據(jù)采樣率可在連續(xù)MAC運算極值和全并行運算極值之間。您還可考慮在包括對稱系數(shù)、插值、抽取、多通道或多速率的資源利用與性能之間進行更多的權(quán)衡取舍。Xilinx CORE Generator?或System Generator(系統(tǒng)發(fā)生器)實用工具可以幫助用戶充分利用這些設(shè)計變量和技術(shù)。

在傳統(tǒng)DSP和FPGA之間選擇

傳統(tǒng)的數(shù)字處理器已經(jīng)有多年的應(yīng)用歷史，當然有為特定問題提供最佳解決方案的實例。如果系統(tǒng)采樣率低于數(shù)kHz且為單通道方案，DSP可能是不二之選。但是，當采樣率增加到數(shù)MHz以上，或者如果系統(tǒng)要求多通道，F(xiàn)PGA就越來越有優(yōu)勢。在高數(shù)據(jù)率條件下，DSP可能只能勉為其難地在不造成任何損耗的情況下采集、處理和輸出數(shù)據(jù)。這是因為在處理器中存在大量的共享資源、總線乃至內(nèi)核。然而，F(xiàn)PGA卻能夠為每項功能提供專門的資源。

DSP是基于指令而非基于時鐘的器件。一般來講，對單個樣本上的任何數(shù)學(xué)運算需要三到四條指令。數(shù)據(jù)必須首先經(jīng)輸入端采集，再發(fā)送到處理內(nèi)核，每完成一次運算后再循環(huán)通過內(nèi)核，然后發(fā)送到輸出端。相比之下，F(xiàn)PGA基于時鐘，所以每個時鐘周期都有可能在輸入數(shù)據(jù)流上進行一次數(shù)學(xué)運算。

由于DSP的運算以指令或代碼為基礎(chǔ)，編程機制為標準C語言，或者在需要更高性能的情況下，采用低級匯編語言。這種代碼可能包含高級的決策樹或者轉(zhuǎn)移操作，而難以在FPGA中實現(xiàn)。例如，存在大量的用于執(zhí)行如音頻和電話編解碼器之類的預(yù)定義功能或標準的遺留代碼。

FPGA廠商和第三方合作伙伴已經(jīng)意識到將FPGA用于高性能DSP系統(tǒng)的優(yōu)勢，并且如今已有許多IP核廣泛應(yīng)用于視頻、圖像處理、通信、汽車、醫(yī)療和軍用等大部分垂直應(yīng)用市場。與將高級系統(tǒng)框圖映射成為C語言代碼的DSP設(shè)計相比，將高級系統(tǒng)框圖分解為FPGA模塊和IP核會更加簡便易行。

從DSP轉(zhuǎn)向FPGA

研究一些主要標準將有利于在傳統(tǒng)DSP和FPGA之間作出選擇(請參見表1)。

表1: 傳統(tǒng)DSP和FPGA之間的比較

軟件編程人員的數(shù)量遠遠超過硬件設(shè)計人員的數(shù)量，這已是不爭的事實。DSP編程人員的數(shù)量與FPGA設(shè)計人員的數(shù)量之間的關(guān)系也是如此。不過，讓系統(tǒng)架構(gòu)師或者DSP設(shè)計人員轉(zhuǎn)為使用FPGA的難度，并不像讓軟件編程人員轉(zhuǎn)為從事硬件設(shè)計那么大。有大量的資源可以大大簡化DSP算法開發(fā)和FPGA設(shè)計工作的學(xué)習(xí)過程。

主要的障礙是從基于樣本和事件的方法轉(zhuǎn)向基于時鐘的問題描述和解決方案。如果能夠在設(shè)計流程的系統(tǒng)架構(gòu)和定義階段就能夠完成，對這種轉(zhuǎn)換的理解和應(yīng)用就會簡單得多。由不同的工程師和數(shù)學(xué)專家來定義系統(tǒng)架構(gòu)(DSP算法和FPGA設(shè)計在某種程度上相互孤立)是很尋常的事情。當然，如果每個成員對其他小組成員面臨的難題有一定程度認識的話，這個過程會順利得多。要掌握FPGA方案，架構(gòu)師不需要精通FPGA設(shè)計。只需對器件、資源和工具有基本的了解就夠了。