數(shù)字信號處理的FPGA實現(xiàn)方法

DSP正在成為一種幾乎無處不在的技術(shù)，不僅應(yīng)用在眾多消費電子、汽車與電話產(chǎn)品中，而且也進入越來越先進的設(shè)備。

諸如無線基站、雷達信號處理、指紋識別以及軟件無線電等應(yīng)用都要求極高的處理能力。這些新類型的高性能DSP應(yīng)用推動獨立處理器的性能走高，而為了提升性能，硬件解決方案也在不斷發(fā)展。

在90年代初，設(shè)計者面臨的挑戰(zhàn)是，如何采用多個處理器以匯聚更多的處理能力，從而滿足他們的性能要求。但是在協(xié)調(diào)多個處理器的功能時，系統(tǒng)級設(shè)計變得極為困難，更不用說這種方法既昂貴又浪費資源。

當(dāng)?shù)谝环N實現(xiàn)DSP的FPGA出現(xiàn)時，DSP設(shè)計者開始利用這種器件來支援處理器的能力。在這種方法中，F(xiàn)PGA通過加速DSP算法的關(guān)鍵部分(這對性能至關(guān)重要)，可以補充處理器的不足。

今天的專用FPGA，如Xilinx公司的Virtex 4或Altera公司的Stratix II等蘊藏著巨大的潛力，可通過并行化來提
高性能。的確，DSP專用FPGA技術(shù)已顯示出可提供比其它實現(xiàn)方案高100倍的性能優(yōu)勢(表1)。

因此，在FPGA中包含一顆標(biāo)準(zhǔn)DSP的情況變得因此，越來越普遍，而且預(yù)計以此種方式來使用FPGA
的設(shè)計將迅速增加。

設(shè)計挑戰(zhàn)

不過，伴隨著這種強大的硬件能力，設(shè)計者面臨如何有效實現(xiàn)這些基于FPGA的DSP系統(tǒng)的問題。這種大型的復(fù)雜設(shè)計對傳統(tǒng)的DSP設(shè)計方法提出了挑戰(zhàn)。這在很大程度上是因為以下事實，即在DSP應(yīng)用中，傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計流程沒有充分利用一個高效設(shè)計流程的兩個關(guān)鍵要素：綜合技術(shù)與可移植IP。

那些利用綜合技術(shù)來設(shè)計ASIC的人都很清楚綜合技術(shù)的優(yōu)勢。對基于FPGA的DSP來說，該技術(shù)是關(guān)鍵，它使設(shè)計進入處于高級的抽象水平并能自動探索面積與性能之間的折衷?？焖僭O(shè)計進入與高抽象水平及自動化的結(jié)合，不僅能提供單一的設(shè)計示例，而且還能提供各種可供選擇的實現(xiàn)結(jié)果。

對于性能優(yōu)先于面積的應(yīng)用來說，它可能需要包含數(shù)百個乘法器的實現(xiàn)方案。這種方法將具有很快的速度，但也會消耗大量硅片面積。同樣，對于那些對面積更敏感的應(yīng)用來說，實現(xiàn)方案應(yīng)使用性能較低、數(shù)量較少的乘法器，以得到占位面積更小的結(jié)果。這些類型的折衷對基于FPGA的高級DSP的開發(fā)來說至關(guān)重要，因而要求有功能強大的工具。

高效DSP開發(fā)的另一個關(guān)鍵要素是擁有恰當(dāng)?shù)臉?gòu)建模塊或IP。適合于這些應(yīng)用的IP具有兩個主要屬性：可擴展性與可移植性。與適用性相對較低的同類IP相比，可擴展IP使設(shè)計者無需犧牲效率即能構(gòu)建定制IP功能。新功能模塊是高效的，因為在后續(xù)的綜合過程中，未用的或不必要的部分將被優(yōu)化掉。

可移植性也能保證效率。DSP設(shè)計者必須能在設(shè)計出算法以后，無需進行修改即可在任何FPGA供應(yīng)商的產(chǎn)品上運行它們。這種可移植性將提供極大的效率與自由度，以方便選擇一種最佳實現(xiàn)方案。

DSP驗證也構(gòu)成挑戰(zhàn)。當(dāng)驗證DSP時，信號調(diào)試與分析變得更復(fù)雜，并不僅僅限于檢查時域、頻域曲線及散布圖。由于數(shù)字信號的特征取決于其采樣時間和離散幅度，DSP驗證工具必須能有效定義及操作多速率DSP應(yīng)用中的時間。

此外，它們還必須易于從全精度浮點仿真轉(zhuǎn)換到有限字長定點仿真。同時，它們還需要一種用于對DSP算法進行建模的語言，包括對時間、定點資源與并行性等概念的本地支持。

整合方法

設(shè)計技術(shù)方面的最新進展為解決DSP設(shè)計者的獨特挑戰(zhàn)提供了令人興奮的解決方案。由Mathworks公司提供的Simulink是一種基于數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境，為DSP設(shè)計者提供了強大的建模與仿真功能。該環(huán)境能處理多速率離散時間定義與管理以及單源浮點仿真等DSP問題。對于FPGA實現(xiàn)來說，DSP綜合是一項將DSP驗證與最佳DSP實現(xiàn)鏈接在一起的關(guān)鍵創(chuàng)新。借助嵌入在Synplify DSP工具中的能力，設(shè)計者可以采用一種自動式且獨立于器件的方法來檢查實現(xiàn)過程的折衷并完成目標(biāo)映射。將DSP綜合與Simulink聯(lián)合使用，可將系統(tǒng)架構(gòu)師與硬件設(shè)計師的專長整合到一個公共環(huán)境中。系統(tǒng)架構(gòu)師可以為Simulink創(chuàng)建一個獨立于供應(yīng)商的模型，使設(shè)計進入點保持在純算法層面，從而將他的注意力集中在更高層次的設(shè)計功能上。

當(dāng)模型轉(zhuǎn)交給硬件設(shè)計師時，規(guī)范沒有任何架構(gòu)含義。只要建模環(huán)境中的DSP驗證工具允許無縫集成綜合引擎，硬件設(shè)計師無需修改驗證源就可檢查架構(gòu)方面的折衷。由于驗證源保持一致，所以系統(tǒng)架構(gòu)師不用擔(dān)心硬件實現(xiàn)問題，而硬件設(shè)計師也不必費勁地去研究DSP算法規(guī)范。此外，這還能保證設(shè)計完整性與最優(yōu)化，并提高兩個團隊成員的工作效率。該設(shè)計方法的關(guān)鍵是采用通用DSP庫。供應(yīng)商專有的IP會使算法設(shè)計陷入到不必要的實現(xiàn)細節(jié)中。采用一個與架構(gòu)參數(shù)無關(guān)的通用DSP功能庫，設(shè)計將根據(jù)高層規(guī)范來產(chǎn)生輸出。借助一個高層功能庫，甚至與DSP功能有關(guān)的延時也能被推遲到架構(gòu)優(yōu)化階段來處理。這是通過DSP綜合來完成的。諸如DSP綜合、Simulink及可移植庫等創(chuàng)新都是改進DSP設(shè)計的關(guān)鍵元素，但將這些能力集成到一個總的方法
學(xué)中也非常關(guān)鍵。最佳的DSP設(shè)計流程可為現(xiàn)有設(shè)計能力增加通用庫以及整合DSP綜合與Simulink的能力(參見圖2)。在設(shè)計規(guī)范時，系統(tǒng)架構(gòu)師只需在純粹的算法抽象層面上操作。通過使用功能塊，設(shè)計師可用類似的DSP概念來捕獲算法。

在設(shè)計流程的后期，由于Simulink具有DSP驗證環(huán)境特性，算法驗證因而變得非常容易?？梢暬⒄{(diào)試以及內(nèi)置的加速器等能力使設(shè)計者更容易實現(xiàn)離散時間設(shè)計的快速仿真。

這種設(shè)計方法的引擎就是DSP綜合，它決定了面積、性能等系統(tǒng)級目標(biāo)。這個步驟旨在創(chuàng)造出一種能消耗最少的資源并達到所需性能的架構(gòu)。通過采用折疊、系統(tǒng)范圍重定時以及增加延時等適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)級優(yōu)化技術(shù)，DSP綜合能滿足系統(tǒng)級性能目標(biāo)。所得到的架構(gòu)可由獨立于供應(yīng)商的可綜合RTL代碼來生成。由于設(shè)計保留了獨立于供應(yīng)商的特性，RTL綜合工具的全部能力可以被用于執(zhí)行進一步的設(shè)計優(yōu)化。

與傳統(tǒng)設(shè)計流程相比，上述DSP設(shè)計方法具有明顯的優(yōu)勢。隨著設(shè)計規(guī)模增大，僅是由于其無延時的算法及無需時間來同步多條路徑，DSP綜合流程就超過了傳統(tǒng)方法。比較DSP綜合與傳統(tǒng)流程的設(shè)計結(jié)果表明，即使在不同的優(yōu)化情況下，前者也一樣有改進。當(dāng)在DSP綜合期間不執(zhí)行高級優(yōu)化時，所得到的任何優(yōu)化主要歸功于RTL綜合。即使沒有DSP綜合優(yōu)化，在所有測試電路中采用的邏輯單元數(shù)量也會一如既往地減少，而性能也會得到改善。

我們需要考慮幾種不同的優(yōu)化情況。當(dāng)允許進行資源共享時，常常希望在資源利用上有明顯的改進，即使以犧牲某些性能為代價。測試電路已經(jīng)證明了這一點，即以性能的明顯下降為代價可以顯著減少消耗的資源。這種優(yōu)化技術(shù)最適合在資源有限但允許性能有一定下降的情況下使用。重定時優(yōu)化技術(shù)是增強DSP綜合結(jié)果的另一個選項。采用這種方法時，盡管可能要以消耗更多的資源為代價，但與單獨的DSP綜合及傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，性能將有顯著提升。

為達到定時目的，一些DSP綜合解決方案在架構(gòu)層上重新分配寄存器并引入一些管道。采用門級重定時可以補充這種高級定時，兩者的結(jié)合使用將獲得最佳的優(yōu)化結(jié)果，且無需增加任何資源即可獲得明顯的性能改進。