自上而下直到物理實現(xiàn)的DSP設計流程

引言
世界正處于高科技下一波快速增長的開端， DSP已經(jīng)成為業(yè)界公認的、將按指數(shù)增長的技術焦點。目前，大多數(shù)DSP設計已經(jīng)能在半導體生產商(如T1、ADI、Freescale等)提供的通用DSP芯片上實現(xiàn)。通用處理器的價格相對比較便宜，并且有高質量和廉價的編程工具、方便快速實現(xiàn)DSP算法的支持，但開發(fā)人員更希望在原型創(chuàng)建和調試過程中能進行重新編程。

圖1  通用DSP處理器的性能與通信領域需要的DSP處理性能的比較

速度的需要
現(xiàn)在，對電子系統(tǒng)的性能要求已經(jīng)超過了通用DSP處理器的能力。圖1顯示了由寬帶網(wǎng)絡市場驅動的對DSP算法的性能需求與通用DSP處理器性能的差異。可以看出通用DSP的性能容量與新的寬帶通信技術的需求之間的差距正以指數(shù)速率擴大。
傳統(tǒng)上DSP開發(fā)者可以獲得的改變通用DSP處理器性能的唯一方法就是將DSP算法注入到ASIC中，以達到加速硬件的目的。然而這種ASIC的解決方法實現(xiàn)起來非常困難，而且在ASIC上實現(xiàn)DSP算法是以犧牲可重編程的靈活性為代價的，同時還需要大量的非重復設計費用、漫長的原型初始化，以及購買大量昂貴的集成電路設計工具等。
隨著先進的FPGA架構如Xilinx Virtex-II和Altera Stratix-II的引入，DSP設計者可以獲得一種把通用DSP處理器的所有優(yōu)點與ASIC的先進性能綜合在一起的新型硬件。這些新型的FPGA架構可以優(yōu)化DSP的實現(xiàn)，并能提供滿足現(xiàn)今電子系統(tǒng)所必需的處理能力。
FPGA的優(yōu)越性表現(xiàn)在它能允許DSP設計者做到“使結構適應算法”，設計者能夠根據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)性能的需要最大限度地使用FPGA內部的并行資源。而在通用DSP處理器中資源是固定的，因為每個處理器只包含一些數(shù)量有限的類似乘法器一樣的基本運算功能，設計者必須做到“使算法適應結構”，因而無法達到在FPGA中能夠獲得的性能。

圖2  全球DSP收入預測

半導體工業(yè)的亮點
圖2顯示了整個DSP市場和片內算法市場(由FPGA、結構化ASIC和ASIC幾部分組成)的年收入預測。其中，DSP片內算法市場今后三年內將以高于42%的年增長率增長，是整個半導體領域增長最快的部分。
現(xiàn)在DSP的設計團隊所面臨的挑戰(zhàn)和二十世紀九十年代ASIC的設計者所面臨的類似—DSP開發(fā)組如何用目標FPGA的設計方法代替通用DSP；如何去開發(fā)所需要的新的設計技巧；如何完善公司的設計流程；怎樣才能提出新的DSP算法的實現(xiàn)方法，同時又不危及當前產品的開發(fā)計劃。或許更重要的是，管理者怎樣才能夠使災難性結果發(fā)生的可能性降低到最小。
AccelChip公司認為DSP的未來取決于新型設計方法的采用，而這種方法必須能使公司滿足DSP市場對上市時間、成本的苛刻要求。和ASIC、FPGA的產生一樣，對DSP變革的方式就是采用真正的、自上而下的設計流程。

圖3 傳統(tǒng)的DSP設計流程

傳統(tǒng)自上而下的設計流程
傳統(tǒng)上，DSP設計被分為兩種類型的工作：系統(tǒng)/算法的開發(fā)和軟/硬件的實現(xiàn)。這兩類工作是由完全不同的兩組工程師完成，通常這兩個組在各自的接口之間被相對分開。算法開發(fā)者在不考慮系統(tǒng)的結構或軟/硬件實現(xiàn)細節(jié)的情況下使用數(shù)學分析工具來創(chuàng)建、分析和提煉所需要的DSP算法；系統(tǒng)設計者則主要考慮功能的定義和結構的設計，并保持與產品說明及接口標準相一致。軟/硬件設計組采用系統(tǒng)工程師和算法開發(fā)人員所建立的規(guī)范進而完成DSP設計的物理實現(xiàn)。
一般來講，細則規(guī)范可劃分成很多小的模塊，每個小模塊分配給各個成員，他們必須首先理解屬于自己的模塊的功能。
如果DSP算法的目標是FPGA、結構化ASIC或SoC，那么首要任務就是用Verilog或VHDL等硬件描述語言來建立一個RTL模型。這就需要實現(xiàn)工程師了解通信理論和信號處理以便明白系統(tǒng)工程師提出的細則規(guī)范。建立一個RTL模型和仿真測試平臺常常需要花費一至兩個月的時間，這主要是因為需要人工驗證RTL文件和MATLAB模型的準確匹配。RTL模型仿真環(huán)境一經(jīng)建立，實現(xiàn)工程師就要同系統(tǒng)工程師和算法開發(fā)人員進行交流，共同分析DSP系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的性能、范圍和功能。
由于系統(tǒng)工程師在算法開發(fā)階段無法看到物理層設計，因此通常會需要修改原來的算法和系統(tǒng)結構、更新文字性規(guī)范、修改RTL模型和測試平臺以及重新仿真，這些過程往往需要連續(xù)進行多次，直到DSP系統(tǒng)的性能要求能夠由硬件實現(xiàn)為止。接著，實現(xiàn)工程師使用邏輯綜合執(zhí)行一種標準的FPGA/ASIC自上而下的設計流程，從而將RTL模型映射到門級網(wǎng)表，并且使用物理設計工具在給定的FPGA/ASIC器件中設置布局網(wǎng)表。圖3給出了基本的片內DSP算法的設計流程，主要由算法開發(fā)和硬件實現(xiàn)兩個相對分開的部分組成。
如上所述，只有花費很長的時間人工建立基于文字規(guī)范的RTL模型，才能避免因兩個設計域(design domains)之間缺乏聯(lián)系而造成設計開發(fā)進程的延遲，然而對這一設計工程更大的擔心是DSP算法的物理設計是基于硬件工程師對文字規(guī)范主觀的理解。
硬件工程師中缺乏DSP專家，因此常常會因為對要求功能的曲解而造成災難性的后果。隨著DSP復雜度的增加，在人工建立RTL模型的過程中，產生錯誤已司空見慣。由于相同的錯誤被寫入仿真測試平臺中，因此仿真中即便出現(xiàn)多次錯誤也無法被捕捉到，只有到了原型設計階段，硬件設計錯誤才會被發(fā)現(xiàn)。

改進方法
FPGA/ASIC設計人員采用真正意義上的自上而下的設計方法，最重要的好處之一就是設計數(shù)據(jù)管理的改善。但是當ASIC和FPGA采用和現(xiàn)有DSP設計相同的自下而上的設計方法時，由于缺乏單一且有效的設計數(shù)據(jù)源，將會引入許多錯誤。因此，在當今的DSP設計中，各個獨立的設計部門有義務使MATLAB模型和人工創(chuàng)建的RTL模型及測試平臺保持同步。可是如前所述，這兩個團隊很少交流，而且通常在地理位置上也相距很遠。所以管理這些數(shù)據(jù)變得非常困難。
CoWare在其SPW工具包里提供了一種模塊同步問題的解決方案：將輔助模擬設計方法的概念引入硬件設計系統(tǒng)中，從而達到從細則規(guī)范到實現(xiàn)的轉變。在這種方法中，CoWare 建議DSP設計組使用他們具有DSP硬件模型庫的硬件設計系統(tǒng)創(chuàng)建一個可以執(zhí)行的規(guī)范，從而取代對DSP規(guī)范和算法進行詮釋的編程語言。
這種方法在消除硬件工程師開發(fā)RTL模型時造成的曲解方面很有優(yōu)勢，但是，它對確保設計數(shù)據(jù)同步方面還存在不足。由于每次修正模塊都需要人工修改可執(zhí)行規(guī)范，特別在現(xiàn)今復雜度不斷增加和產品上市時間越來越短的雙重壓力下，發(fā)生錯誤的可能性將會大幅增加。

真正自上而下的
DSP設計方法
Accelchip公司的DSP合成工具使用VHDL或Verilog硬件描述語言能夠直接讀出MATLAB模型并自動輸出可以合成的RTL模型和仿真測試平臺。通過連接DSP的兩個設計域，給DSP設計小組在設計的人力和時間、曲解的消除、高成本的重復工作、硬件實現(xiàn)的自動驗證，以及系統(tǒng)設計人員和算法開發(fā)人員在開發(fā)的初期階段進行結構探索時所需要的能力等方面帶來了很大的簡化。
Accelchip使硬件設計人員不需要人工創(chuàng)建RTL模型和仿真測試平臺，從而縮短了開發(fā)周期，減少了硬件實現(xiàn)所需要設計人員的數(shù)量。而且自動建立的RTL模型是目標FPGA器件的“結構化意識”，而不是簡單的、繼承下來的RTL模型。建立RTL模型后，其高級綜合工具將創(chuàng)建一個邏輯綜合的最佳實現(xiàn)，以確保所產生的門級網(wǎng)表具有FPGA器件的優(yōu)點。
例如，DSP算法在不同供應商提供的FPGA器件列中實現(xiàn)，其性能和范圍有很大的差異，這是因為對于不同設備來講，結構、邏輯資源、布局資源以及布局方法都是不同的。通過“結構化意識”，Accelchip為DSP設計小組的目標FPGA器件提供了很好的物理實現(xiàn)。同時通過提供容易使用的、自動的從MATLAB到硬件實現(xiàn)的直接路徑，使得DSP系統(tǒng)設計人員和算法開發(fā)人員能夠在設計開發(fā)初期定義他們的算法。進而算法開發(fā)人員能夠很快地將MATLAB設計轉換成綜合了性能、范圍、成本和功率優(yōu)點的目標FPGA的門級網(wǎng)表。有了來自算法物理實現(xiàn)的初期或開發(fā)周期中的反饋，就意味著設計流程后期所做的重復更少，再一次節(jié)省了寶貴的時間和人力。

結語
DSP技術的重要性日益增加，對其算法的性能要求遠遠超過了通用性DSP處理器的能力，從而促使DSP實現(xiàn)小組去尋找硬件的解決方法。FPGA給DSP實現(xiàn)提供了理想的平臺，Accelchip提供的真正的自上而下的設計方案無縫地融入了DSP的設計環(huán)境，從而確保了在轉向真正的自上而下的DSP設計方法時管理風險的最小化。(姚玉坤譯)■