基于FPGA設(shè)計(jì)DSP的實(shí)踐與改進(jìn)設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要對數(shù)字信號進(jìn)行處理時(shí)，常采用通用 DSP（Digital Signal Process）處理器，這樣的設(shè)計(jì)方案通用性好，且還有各種較為成熟的 DSP算法可以參考。但是，這類方案通常是雙核設(shè)計(jì)，即采用通用控制器（MCU）加上通用 DSP處理器實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)開發(fā)的復(fù)雜程度、難度都較大，也難以滿足定制特殊處理的需要。為了解決這些問題，人們開始尋求新的設(shè)計(jì)方案，基于通用處理器加上FPGA（大規(guī)?？删庨T陣列）的架構(gòu)方案逐漸成為主流，在新的方案中通用控制器完成控制和管理功能，專用的數(shù)字信號處理和組合邏輯功能由 FPGA實(shí)現(xiàn)，使得設(shè)計(jì)開銷與復(fù)雜程度明顯降低。

1 現(xiàn)行設(shè)計(jì)流程的不足

使用“MCU＋FPGA”架構(gòu)方案的開發(fā)流程如圖1所示。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初是先由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小組制定出系統(tǒng)模型方案，并確定模型仿真正確之后將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案提交給FPGA設(shè)計(jì)人員，并依據(jù)系統(tǒng)模型用硬件描述語言創(chuàng)建系統(tǒng)同時(shí)創(chuàng)建測試平臺，比較系統(tǒng)級仿真結(jié)果與模型設(shè)計(jì)是否相符，當(dāng)不相符時(shí)則需要進(jìn)行修改，并重新進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在這種流程的開發(fā)中必定會存在很多的迭代與間歇。

圖1傳統(tǒng)解決方案的開發(fā)流程

分析其原因在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員與 FPGA設(shè)計(jì)人員的工作有重復(fù)與制約性。二者的工作同樣是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且都要進(jìn)行仿真，只不過前者是進(jìn)行系統(tǒng)的軟件仿真，后者進(jìn)行系統(tǒng)的硬件仿真。另外系統(tǒng)的建立需要幾位工程師的協(xié)同工作。如果當(dāng) FPGA設(shè)計(jì)人員驗(yàn)證出系統(tǒng)設(shè)計(jì)有誤時(shí)，還要回轉(zhuǎn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員等待修改完再重新進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。

2 設(shè)計(jì)流程的改進(jìn)

2.1 EDA設(shè)計(jì)工具

1) MATLAB的 Simulink環(huán)境

MATLAB是 MathWorks公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析工具。并且被廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算中。Simulink是基于 MATLAB平臺推出的一個(gè)強(qiáng)大的動態(tài)系統(tǒng)仿真環(huán)境。它以圖形化模式進(jìn)行系統(tǒng)建模仿真，可以快速完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并且具有強(qiáng)大的代數(shù)、微分等模型系統(tǒng)的求解器。

2) DSP Builder

DSP Builder是 Altera公司開發(fā)了基于 Simulink開發(fā)的 DSP設(shè)計(jì)工具。在 Simulink中作為一個(gè)工具箱出現(xiàn)。這樣使得用 FPGA設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)完全可以通過 Simulink的圖形化界面進(jìn)行，只要簡單地進(jìn)行 DSP Builder工具箱的模塊調(diào)用即可。從而使得一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得相當(dāng)容易而且直觀。同時(shí)加速了 FPGA實(shí)現(xiàn)DSP 的開發(fā)流程。

2.2 改進(jìn)開發(fā)流程

采用上述 EDA設(shè)計(jì)工具使得在系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，由系統(tǒng)工程師負(fù)責(zé)系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)，并且在軟件的輔助下，進(jìn)行硬件描述語言的代碼自動生成，最終可以下載到 FPGA中檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。即將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員與 FPGA設(shè)計(jì)人員的工作合并從而改進(jìn)的設(shè)計(jì)流程。如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的開發(fā)流程

設(shè)計(jì)流程的開始是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員基于 Simulink使用 DSP Builder工具箱提供的模塊建立系統(tǒng)模型。工具箱中的模塊涵蓋了算術(shù)和存儲功能，并且對其技術(shù)參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型和總線寬度等屬性進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)完成后就進(jìn)入仿真環(huán)節(jié)。這是基于系統(tǒng)的算法級仿真，設(shè)計(jì)者甚至不用關(guān)心目標(biāo)硬件系統(tǒng)的屬性。如果仿真結(jié)果沒有得到預(yù)期設(shè)計(jì)的結(jié)果，可以很快通過修改模型進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)仿真結(jié)束后使用 Signal Compiler模塊進(jìn)行系統(tǒng)模型的 Simulink模型文件（.mdl文件）到硬件描述語言的轉(zhuǎn)換。這個(gè)過程將自動生成硬件描述語言的代碼。之后通過綜合以后產(chǎn)生出原子級網(wǎng)表文件（底層電路描述文件）。然后調(diào)用 Quartus II 的編譯器生成可以下載的門級網(wǎng)表文件，最后下載到 FPGA上就實(shí)現(xiàn)了 DSP系統(tǒng)的硬件化過程。操作流程如圖3所示。

圖3 操作流程