流水線技術(shù)在基于FPGA的DSP運算中的應(yīng)用

　　在數(shù)字信號處理(DSP)領(lǐng)域，需要處理的數(shù)據(jù)量很大，并且實時性要求很高。傳統(tǒng)的DSP設(shè)計方法主要有采用固定功能的DSP器件和采用DSP處理器兩種，由于它們靈活性差以及軟件算法在執(zhí)行時的順序性，限制了它們在高速和實時系統(tǒng)中的應(yīng)用。隨著深亞微米半導(dǎo)體制造工藝的不斷創(chuàng)新，百萬門可編程器件的不斷推出，為DSP提供了第3種有效的解決方案，即利用FPGA實現(xiàn)DSP運算硬件化。它能夠在集成度、速度和系統(tǒng)功能方面滿足DSP應(yīng)用的需要。

　　然而在應(yīng)用FPGA進行系統(tǒng)設(shè)計綜合過程中，選擇芯片的運行速度優(yōu)化和資源利用優(yōu)化常常是相互矛盾的，對速度指標(biāo)要求高的設(shè)計優(yōu)化常常要占用較大的芯片資源，而減小芯片面積的設(shè)計又需要以降低系統(tǒng)速度為代價。從FPGA發(fā)展趨勢和DSP運算要求看，系統(tǒng)速度指標(biāo)的意義比面積指標(biāo)更趨重要，需要我們進一步深入研究提高芯片的最高工作速度的設(shè)計策略。本文討論在基于FPGA的DSP系統(tǒng)設(shè)計中采用流水線技術(shù)，充分利用硬件內(nèi)部的并行性，在FPGA有限資源芯片面積上提高單位時間里的數(shù)據(jù)處理能力即數(shù)據(jù)吞吐率(throughput)，提高系統(tǒng)的工作速度的具體做法。

　　0 流水線技術(shù)基本原理和FPGA結(jié)構(gòu)特征

　　流水線是一種在時間上串行，在空間上并行的技術(shù)，其基本原理如圖1所示。將整個電路劃分為若干個流水線級，流水線每級之間設(shè)置寄存器鎖存上一級輸出的數(shù)據(jù)；每一級只完成數(shù)據(jù)處理的一部分；一個時鐘周期完成一級數(shù)據(jù)處理，然后在下一個時鐘到來時將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給下一級；第一組數(shù)據(jù)進入流水線后，經(jīng)過一個時鐘周期傳到第二級，同時第二組數(shù)據(jù)進入第一級，數(shù)據(jù)隊列依次前進。每組數(shù)據(jù)都要經(jīng)過所有的流水級后才能得到最后的計算結(jié)果，但是對整個流水線而言，每個時鐘都能計算出一組結(jié)果，所以平均計算一組數(shù)據(jù)只需要一個時鐘周期的時間，這樣就大大提高了數(shù)據(jù)處理速度，電路在單位時間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量就愈大，即電路的吞吐量就越大，保證整個系統(tǒng)以較高的頻率工作。

　　FPGA的結(jié)構(gòu)特點很適合采用流水線設(shè)計，以Altera低成本系列Cyclone II為例，不僅有最多達68416個邏輯單元(LE)，而且提供嵌入式存儲資源支持各種存儲應(yīng)用和低成本DSP應(yīng)用(如乘法器模塊、PLL)。每個LE均含有一個四輸入查找表LUT、一個可編程觸發(fā)器等。一般設(shè)計中，這個觸發(fā)器或者沒有用到，或者用來存儲布線資源。設(shè)計中可將一個算術(shù)操作分解成一些小規(guī)模的基本操作配置到LUT中，將進位和中間值存儲在寄存器中，在下一個時鐘內(nèi)繼續(xù)運算。因此，在FPGA中采用流水線技術(shù)，只需要極少或者根本不需要額外的資源成本。特別是在需要進行大批量重復(fù)運算的場合，如數(shù)字信號處理中的卷積操作、FFT或FIR濾波器設(shè)計，采用流水線技術(shù)，可以大大提高系統(tǒng)運行速度。

　　1 FPGA中基本DSP運算的流水線設(shè)計與性能分析

　　加法器和乘法器是DSP中最基本的運算部件。在Quartus軟件平臺上設(shè)計加法器或乘法器可以采用原理圖法和VHDL語言兩種基本方法。考慮到參數(shù)可設(shè)置宏模塊(Library of Parameterrized Modtlles-LPM)經(jīng)過嚴(yán)格測試和優(yōu)化，可以發(fā)揮最佳性能，所以，我們采用原理圖設(shè)計方式，通過MegaWizard P1ug-In Manager工具引入1pm add sub和1pm mult兩種可設(shè)置流水線的LPM模塊，實現(xiàn)了不同位寬、不同流水線級數(shù)的加法器和乘法器設(shè)計，并選用CycloneII系列EP2C5Q208C7器件進行了綜合、布局布線、時序分析和仿真設(shè)計，以比較其性能的變化特征。

　　1．1 不同流水線級數(shù)的運算器性能比較

　　對16位加法器和8位乘法器分別選用不同的流水線級數(shù)進行設(shè)計，比較結(jié)果如表1、2所示。

　　由比較結(jié)果可見：

　　(1)采用流水線技術(shù)普遍比不用流水線工作速度顯著提高，體現(xiàn)流水線技術(shù)在高速DSP運算上的優(yōu)勢。

　　(2)采用流水線技術(shù)在資源耗用(邏輯單元與寄存器個數(shù)、存儲器位數(shù))上有所增加。

　　(3)采用不同的流水線級數(shù)在速度指標(biāo)和資源耗用率上有所不同，流水線級數(shù)增加，速度指標(biāo)不一定增加，但資源耗用大大增加，所以應(yīng)注意速度和資源耗用指標(biāo)的權(quán)衡。如對16位加法器，如不用M4K(專用存儲器資源)，以采用2級流水線最佳；如選用M4K，則取6級流水最佳。8位乘法器則以2級或6級流水最佳。對于其他DSP運算，在設(shè)計時必須通過反復(fù)比較、設(shè)計，選擇符合系統(tǒng)性能要求的流水線級數(shù)。

　　1．2 不同位寬運算器相同流水線級數(shù)的性能比較

　　對采用6級流水的加法器和乘法器的數(shù)據(jù)位寬加以改變，通過綜合仿真，分析其性能指標(biāo)的變化，見表3。