FPGA_DSP嵌入式系统方案设计书.docVIP

第7章 FPGA DSP嵌入式系统设计 §7.1 设计流程概述 DSP（Digital Signal Processing）技术在通信、图像处理增强、数据获取、雷达及视频处理等等领域有着广泛的应用，因此，DSP的使用也不只存在唯一的方法，而是要根据不同的目的提出不同的解决方案。可编程芯片的FPGA逐渐成为这些解决方案中的一个重要的组成部分。预计用于DSP的可编程芯片的产量将以平均每年41.6％的比率增长，到2005年，产量已达到17.8亿美元。 通常，DSP算法的实现有两种途径：低速的用于普通目的的可编程DSP芯片；高速的用于特定目的的固定功能DSP芯片组和ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片。而FPGA是DSP设计人员的另一种选择。大多数FPGA是由逻辑单元阵列、各个逻辑单元之间的可编程互连线、I/O管腿和其他一些如片上的存储器之类的资源组成的。其中逻辑单元是由1个四输入的查找表和1个触发器构成的。 与普通的DSP芯片相比，FPGA芯片能够更好地实现并行处理，从而提高了性能并节省了能源。如算法中使用了14个MAC（Multiply Accumulate），与只有1到4个MAC的通用DSP芯片不同，在FPGA中可以配置14个乘法器，以实现并发处理。而这种流水线结构的数据流可以使信号负载最小化，从而节省指令和数据存取的系统开销。此外，因为芯片所消耗的能量与它的时钟频率成正比，FPGA可以将输入的数据流分离开，并将它们作为几个并行的数据流进行处理，从而工作在一个较低的时钟频率下，这样做也就节省了能源。相对来讲，FPGA设计的灵活性和适应性更强。而与ASIC芯片相比，FPGA可以反复使用，并且在产品制成后还能重新更改设计。这样做有三点好处：修补bug；加入新的功能；使系统适应新的标准。使用FPGA的现场可编程能力，不但避免了高额的开发费用，而且满足产品的上市需求。 虽然有如此多的优点，但是目前FPGA在DSP应用上所占用的份额并不大，而且主要是用做协处理器，以辅助DSP芯片完成一些计算密集型的算法。这种现象的造成主要有两方面的原因。一方面，在软件上，DSP与FPGA之间有着巨大的隔阂。生活在软件世界的DSP程序员要学习如寄存器、门、VHDL代码等等新的知识才能进入电子工程的世界。这两类设计人员不但完成设计时所使用的工具不一样，而且，在设计中所考虑的问题也不同。表1表示了他们之间的差异。另一方面，在硬件上，原先的FPGA芯片没有集成专门的乘法器，只能依靠用户自己编辑乘法器。乘法器的实现比较耗费以查找表为主的系统资源，所以在编辑完并行的MAC后，FPGA所剩的资源无几，从而限制了FPGA的使用。正是由于这两个主要的因素，使FPGA无法在DSP领域中有更大的作为。 表7-1 DSP设计者 FPGA设计者 设计方法 C,C++,汇编 MATLAB,SimuLink VHDL/Verilog编程 综合,映射,布局布线 设计问题 信噪比,误码率,采样率 腿到腿延时,流水线和逻辑层次,布局规划 横亘在软件间的隔阂和硬件结构上的差异限制了FPGA的DSP应用，但是现在这项工作变得简单了，Xilinx公司提出了一整套的解决方案。不但出现了IP（Intellectual Property）核（Core）形式的DSP算法和将这些IP核集成到FPGA设计的工具软件，而且出现了新的FPGA芯片。软件上一个重要的代表是XtremeDSP系列软件包，主要包括： MathWorks公司的Matlab和Xilinx公司的System Generator负责系统级设计； Mentor Graphics公司的FPGA Advantage或Synplicity公司的Synplify Pro做HDL综合； Model Technology公司的ModelSim负责仿真； Xilinx公司的Foundation Series ISE负责硬件实现。 图7-1表示使用Xtreme设计DSP算法的流程。在硬件方面，Xilinx公司推出必威体育精装版的Virtex II系列FPGA芯片。它内置了192个18×18 bit的高性能组合乘法器，支持高达250MHz的数据率，内部固化了并行的DSP数据模型。它的密度达到一千万系统门，可以运行600G MAC/s。大大超出了当今通用DSP芯片的性能（TI的高端DSP芯片TMS320C6000的定点系列C64x只能达到1.6—2.4G MAC/s）。设计方法和硬件结构上的改进使FPGA在DSP上的应用前景变得光明起来。 图7-1 Xtreme系统中实现DSP的设计流程图 Xilinx公司同它的合作者联合提出了XtremeDSP解决方案，它在系统结构设计和基于FPG