在數(shù)字電路方案設(shè)計(jì)中DSP與FPGA的比較與選擇

(4)圖象處理器。對(duì)于圖象的處理過(guò)程多是簡(jiǎn)單的和重復(fù)的,這樣很適合用FPGA實(shí)現(xiàn)。然而,一個(gè)成像處理流程往往用于在所觀測(cè)的目標(biāo)識(shí)別“斑點(diǎn)”或“感興趣的區(qū)域”。這些“斑點(diǎn)”可能大小不一樣,造成后端的判斷及處理過(guò)程趨于復(fù)雜。同時(shí),所用的算法往往是自適應(yīng)的,取決于斑點(diǎn)是什么樣的。所以用DSP構(gòu)成圖象處理管道的后端處理部分是合適的。

總之,DSP和FPGA代表著兩種數(shù)字系統(tǒng)的信號(hào)處理的過(guò)程,各有所長(zhǎng)和不足之處。對(duì)于許多高速采樣頻率的應(yīng)用,特別是任務(wù)比較固定或重復(fù)的情況下,適合采用FPGA方案;同樣,對(duì)于較低的取樣速率和有很高復(fù)雜度的軟件問(wèn)題的情況適合采用DSP方案。

4 新的設(shè)計(jì)思想

4.1 DSP+FPGA結(jié)構(gòu)

DSP+FPGA結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活,有較強(qiáng)的通用性,適于模塊化設(shè)計(jì),從而能夠提高算法效率;同時(shí)其開(kāi)發(fā)周期較短,系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展。

例如,一個(gè)由DSP+FPGA 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)中,低層的信號(hào)預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大,對(duì)處理速度的要求高,但運(yùn)算結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單,適于用FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn),這樣能同時(shí)兼顧速度及靈活性。高層處理算法的特點(diǎn)是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少,但算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜,適于用運(yùn)算速度高、尋址方式靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

FPGA可以完成模塊級(jí)的任務(wù),起到DSP的協(xié)處理器的作用。它的可編程性使它既具有專用集成電路的速度,又具有很高的靈活性。

DSP具有軟件的靈活性;而FPGA具有硬件的高速性,從器件上考察,能夠滿足處理復(fù)雜算法的要求。這樣DSP+FPGA的結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)中如何處理軟硬件的關(guān)系提供了一個(gè)較好的解決方案。同時(shí),該系統(tǒng)具有靈活的處理結(jié)構(gòu),對(duì)不同結(jié)構(gòu)的算法都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,尤其適合實(shí)時(shí)信號(hào)處理任務(wù)。

4.2 嵌入DSP模塊的FPGA

應(yīng)用將一些能實(shí)現(xiàn)基本數(shù)字信號(hào)處理功能的DSP模塊嵌入的FPGA芯片是數(shù)字電路設(shè)計(jì)的另一個(gè)大趨勢(shì)。

有些公司已經(jīng)或計(jì)劃把基于ASIC的微處理器或DSP芯核與可編程邏輯陣列集成組合在一塊芯片上。FPGA提供的DSP性能已超過(guò)1280億MAC每秒,大大高于目前主流供應(yīng)商所能提供的傳統(tǒng)DSP的性能。

其中,Xilinx作為世界可編程邏輯器件的領(lǐng)導(dǎo)廠商,擁有先進(jìn)的FPGA技術(shù)以及先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具。2000年11月,推出Xilinx XtremeDSP行動(dòng),試圖進(jìn)入這一市場(chǎng)。Virtex-II可以提供6千億MAC(乘法累加運(yùn)算)每秒的性能。采用這種并行結(jié)構(gòu),256階FIR濾波器中的每個(gè)樣本可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)處理完,因此極大地改善了DSP的性能和效率。

Xilinx XtremeDSP行動(dòng)的目標(biāo)是希望滿足寬帶革命的高性能挑戰(zhàn)。其它特性還包括根據(jù)如芯片面積(相應(yīng)于使用的資源)和系統(tǒng)頻率來(lái)優(yōu)化DSP設(shè)計(jì)。XtremeDSP行動(dòng)還推出了一些開(kāi)發(fā)工具以彌補(bǔ)傳統(tǒng)上在DSP和FPGA設(shè)計(jì)方法間存在的差距。

新的Virtex-II系列的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)使其在實(shí)現(xiàn)需要計(jì)算的算法時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Xilinx提供的測(cè)試數(shù)據(jù)表明,Xilinx FPGA比業(yè)界最快的DSP運(yùn)行要快100倍。因此,單個(gè)FPGA即可代替?zhèn)鹘y(tǒng)上所謂的DSP處理器陣列。

目前世界上的許多手機(jī)基站產(chǎn)品采用了Xilinx公司Virtex-E FPGA。為了建立大量的連接,手機(jī)基站需要處理大量的數(shù)據(jù),其中大部分是采用某種DSP實(shí)現(xiàn)的。

性能比較突出的還有QuickLogic公司推出的QuickDSP系列,它提供了嵌入式的DSP構(gòu)件塊和可編程的邏輯靈活性。這個(gè)新的系列除了提供以前的可編程的邏輯和存儲(chǔ)模塊外,還包括專用的乘加模塊。這些合成的模塊可以實(shí)現(xiàn)DSP功能。支持DSP功能的軟件可以由公司獲得,除了QuickWorks開(kāi)發(fā)軟件外,DSP 向?qū)О屖褂谜弋a(chǎn)生優(yōu)化的功能,如定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)邏輯,FIR和IIR(Infinite Impulse Response無(wú)限沖激響應(yīng))濾波器等,只要鼠標(biāo)點(diǎn)擊幾下即可。

可以預(yù)測(cè),在不久的將來(lái),單一的DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng)會(huì)被DSP+FPGA的結(jié)構(gòu)或嵌入DSP模塊的FPGA設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)所取代。