用插值查找表實現(xiàn)FPGA的DSP功能

作者：時間：2011-03-08 來源：網(wǎng)絡(luò)

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我們是否能夠提供一款其功能可滿足客戶所有獨特設(shè)計要求的DSP內(nèi)核。有時候內(nèi)核會太大，太小或者不夠快。有時，我們會開發(fā)一款能確切滿足客戶需求的內(nèi)核，并迅速以CORE GeneratorTM商標(biāo)推出。不過即便在這種情況下，客戶仍然想要一套特定的DSP功能，而且刻不容緩。在這些情況下，我常常建議他們使用我們器件中的插值查找表來定制他們的DSP功能。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/150978.htm

　　查找表 (LUT) 實質(zhì)上是一個存儲元件，能夠根據(jù)任何給定的輸入狀態(tài)組合，“查找”輸出，以確保每個輸入都有確切的輸出。采用LUT來實現(xiàn) DSP功能具有一些重大優(yōu)勢：

　　您可用諸如MATLAB®或Simulink®等高抽象層編程語言改變LUT內(nèi)容。

　　您可以設(shè)計一項DSP功能來運行那些采用離散邏輯運算將極度困難的數(shù)學(xué)函數(shù)，比如l y=log(x)、y=exp(x)、y=1/x、y=sin(x) 等。

　　LUT還可輕松執(zhí)行在可配置邏輯塊 (CLB)l 芯片，以及嵌入式乘法單元或DSP48可編程乘法累加 (MAC) 單元方面可能要求過多FPGA資源的復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)。

　　不過，以這種方式使用LUT當(dāng)然也會存在一些弊端。當(dāng)您使用LUT來實現(xiàn)DSP功能時，您必須使用塊RAM (BRAM) 元件。若執(zhí)行函數(shù) y=sqrt(x)(其中x 表示16位輸入，y 表示18位輸出)，每個變量則需要約64個18KB BRAM單元。如果，比如說，您的目標(biāo)是實現(xiàn)小型化Spartan®器件，或者您有太多的運算需要執(zhí)行，無法為每個變量省出64個BRAM單元，建議您放棄這種需要如此大量BRAM單元的方法，從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來看，這種方法代價太大。

　　插值LUT方法不僅具有LUT方法在實現(xiàn)DSP功能時所帶來的各種優(yōu)勢，而且無需使用太多BRAM單元。采用這種方法，您可以使用來自容量較小的 LUT (比如，1000字 LUT)的連續(xù)輸出，線性地對其內(nèi)插，以模擬更大容量的LUT。這樣，您就可以實現(xiàn)比1000 字 LUT 更高的數(shù)值分辨率。此外，通過這種方法，僅需 1 個 BRAM、1 個嵌入式乘法器(或DSP48)，以及少數(shù)幾個CLB芯片便可實施控制邏輯，因此LUT的使用成本變得更加合理化。而且，從信噪比的角度來看，其數(shù)值精度也是非常讓人滿意。

　　當(dāng)然，應(yīng)用插值LUT (ILUT) 方法需要一定的技巧。舉例來說，采用該方法執(zhí)行y=sqrt(x) 函數(shù)時，可以清楚地顯示ILUT在面積占用、時序和數(shù)值精度方面的性能。我們先大致看一下這個示例，然后我再講解部分實例，說明如何使用這種方法來滿足客戶截然不同的需求，比如讓傳遞函數(shù)呈非線性的傳感器實現(xiàn)線性化，以及實施自適應(yīng)有限脈沖響應(yīng)(FIR) 濾波器以消除合成孔徑雷達 (SAR) 圖像上的斑點噪聲。

　　使用System Generator for DSP進行設(shè)計

　　為在賽靈思FPGA上實施DPS算法，我借助了采用MathWorks Simulink基于模型設(shè)計方法的System Generator for DSP設(shè)計與綜合工具。System Generator得益于賽靈思在Simulink 環(huán)境中的DSP模塊組，可自動調(diào)用CORE Generator為DSP構(gòu)建塊生成高度優(yōu)化的網(wǎng)表。Simulink是一種雙精度浮點設(shè)計工具，而System Generator則是一款定點運算工具。不管怎樣，您只要將這兩種工具協(xié)同使用，就可以定義每個信號的總位數(shù)以及每個信號的二進制位置，從而在定點運算中巧妙處理分?jǐn)?shù)。仿真結(jié)果周期精確、位真，因此您可以方便地將它們與MATLAB腳本或Simulink模塊生成的浮點參考值相比較，以檢查量化誤差。

　　圖1顯示了System Generator中ILUT方案的頂層結(jié)構(gòu)圖。為讓這個方法盡可能一般化，假設(shè)nx=16位中的輸入變量 x 的取值范圍為0≤x1，因此其格式為“無符號16位加上二進制點右邊的16 位”，也稱為Ufix_16_16格式。最高有效位 (MSB) 和最低有效位 (LSB) 模塊分別對應(yīng)輸入數(shù)據(jù)nb=10的最高位和nx-nb=6的最低位。這些信號被命名為x0和dx。y=sqrt(x) 輸出則以ny=17位二進制數(shù)表示，格式為：Ufix_17_17。