FPGA構建高性能DSP

在數據通信和圖像處理這樣的應用中,需要強大的處理能力。當最快的數字信號處理器（DSP）仍無法達到速度要求時,唯一的選擇是增加處理器的數目,或采用客戶定制的門陣列產品。現在,設計人員有了新的選擇,可采用現場可編程門陣列(FPGA)來快速經濟地完成設計。采用現場可編程器件不僅縮短了產品上市時間,還可滿足現在和下一代便攜式設計所需要的成本、性能、尺寸等方面的要求,并提供系統級支持。

FPGA的方案選擇

??? 幸運的是,需要高性能DSP功能的便攜式設備設計者還有其它選擇。最近FPGA開始達到了應用所要求的成本競爭力。優選的FPGA方案可用來處理計算量繁重的高端DSP算法,同時還可為設計提供可編程邏輯解決方案所固有的靈活性特點,以及定制門陣列(如ASIC）解決方案所具有的高性能及集成度。

??? 增強DSP處理能力的傳統方法是采用多個處理器。選擇此類方案的缺點是成本昂貴,需要眾多附加部件,并且功耗很大。此外,開發和調試多處理器軟件通常會大大延遲產品上市時間。

??? 定制門陣列或標準單元方案可以提供所需的強大DSP處理能力,然而,這種方案是以損失靈活性為代價的,并需要相當的工程化投資。由于他們不可重新編程,固定邏輯器件在發生錯誤時很難補救,也不容易對解決方案進行優化。因此,定制方案的成本、風險以及所需要的開發時間,對許多應用來說都是無法接受的。

??? FPGA與傳統邏輯電路和門陣列具有不同的結構,FPGA利用小型查找表（16×1 RAM)來實現組合邏輯。每個查找表連接到一個D觸發器的輸入器,觸發器再來驅動其它邏輯,或驅動I/O。這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內部靜態存儲器單元加載配置數據來實現的。存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及模塊間或與I/O間的連接,并最終決定了FPGA實現的功能。FPGA的這種結構允許無限次的重新編程。

??? FPGA還具有可擴展的優點,FPGA本身復雜性的提高遠遠超過最終產品要求的復雜性。最新的FPGA產品,例如Xilinx的Virtex-E系列,提供的系統門密度從58000門到最高320萬門不等。最新器件的速度也大大提高。例如,1.8V Virtex-E器件比前一代產品快了30%,采用源同步數據傳輸結構,其I/O性能可達到622Mbps。

時間和投資

??? 任何涉足便攜式產品設計的人,特別是通信領域的設計人員,都明白及時推出產品是產品設計首先要遵守的原則之一。所以能夠提供所需要的性能、達到成本要求并可以加快上市時間的器件具有重要的優勢。

??? 與專用集成電路(ASIC)相比,FPGA可使產品上市時間更快,并具有更小的風險。FPGA庫中的DSP核心不斷增加,許多現在就可使用。結果,設計人員可以利用比定制門陣列方案或多處理器解決方案所需要的時間短得多的時間就完成一項DSP設計。

??? 加快FPGA實現和編程的一個方法是采用知識產權(IP)的模塊或核心。例如,大多數標準DSP功能都在Xilinx庫中以可參數配置的DSP核心的形式實現了,它們通過Xilinx公司的CORE生成器提供。包括乘法器、平方根電路、有限脈沖響應(FIR)濾波器、梳狀濾波器、積分器、正弦/余弦表以及離散傅里葉變換(DFT）、快速傅里葉變換(FFT)和離散余弦變換（DCT)等都已包括在內。

??? IP核心的使用也促進了設計再利用,這在生產周期中可節約大量的時間。FPGA和ASIC制造商正密切協作,使設計再利用變得更為容易。例如,Xilinx公司的IP互聯網收集和封裝工具使客戶可以將他們為FPGA創建的IP設計收集并封裝起來,并在公司內部或通過互聯網與其它設計小組共享。這樣的工具為設計人員提供了一個對可綜合的VHDL或Verilog代碼,或固定功能網表等進行明確、收集和封裝并建立相關文檔的自動化的方法。新的模塊一旦封裝好并公布出來,其它工程師就可以利用標準的互聯網瀏覽器下載這些IP,并安裝到他們的Xilinx CORE生成器系統中去。

??? 雖然成本曾是阻礙在大批量生產的產品中選擇FPGA的重要因素,但現在卻不成問題了。實際上,當今的FPGA產品單位貨幣(每個美元)所買到的MAC(乘法/累加運算)數比傳統的DSP處理器還要高。正如任何器件一樣,FPGA制造商也在持續尋求降低成本的方法。例如,除了高密度的Virtex系列以外,Xilinx最近還推出了低成本的Spartan-II系列FPGA產品,直接向固定門陣列產品挑戰,對從年產5萬至百萬件的大批量生產都非常理想。例如,10萬門的Spartan-II FPGA器件售價不到10美元（在與門陣列產品相當的批量時）。

性能和功耗

??? 與傳統數據處理方法不同,DSP采用了高度流水線化的并行操作。而FPGA結構則可以做得更好,達到更高的性能。FPGA具有成千上萬的查找表和觸發器,因此FPGA平臺可以更低的成本達到比通用DSP更快的速度。例如,目前的兩百萬門FPGA可達到每秒1280億MAC的性能,比目前最快的DSP性能還要高一個量級。

??? 對多DSP處理器解決方案,需要較大的功率才能驅動連接多個處理器的板級連接(具有較大的容抗）。與此相對比,FPGA可創建具有定制數據通道的處理器,數據以最小的負載從一個并行操作傳送到下一個操作,并且沒有取指令的額外開銷。這種結構使得在較低的時鐘頻率下可達到較高的性能。而功耗直接正比于電路的頻率,因此運行于較低時鐘頻率下并行處理的FPGA方案可大大減小功耗。

設計及實施

??? 雖然FPGA的“可編程”特性帶來明顯的靈活性優勢,但也需要設計編程技巧。FPGA制造商不斷改進這一流程,開發專門的軟件,與第三方軟件供應商建立伙伴關系,從而簡化編程過程,并提供最大的靈活性。

??? FPGA核心與系統級模型工具的集成為設計人員提供了創建低功耗、高性能便攜式DSP應用的簡明方法。實際上,目前的便攜式系統設計人員可以采用自動化的設計工具來完成系統設計和FPGA實施。采用與系統框圖類似的圖形化方法,軟件可自動將模塊轉換成相應的FPGA DSP核心。

??? 為簡化FPGA設計流程,設計新手和有經驗的設計人員可以利用像Xilinx最近推出的系統生成器這樣的工具,直接連接使用The Mathworks, Inc. (Natick, MA)的MATLAB和Simulink系統工具。設計人員采用這一解決方案可以快速建立和驗證一個DSP系統。軟件自動生成HDL表示,然后再映射成Xilinx LogicCORE構建模塊。設計人員利用它來優化設計、并在高性能和低芯片成本之間進行平衡。

??? 采用這一設計方法時,設計人員可以系統模塊方式定義DSP算法,并驗證算法數學上是否正確,然后利用位真值模擬方法來實施定點測試。在流程中的每一步,位寬度都可以優化以與系統要求相匹配。然后,利用核心生成器實施系統級工具所指定的設計。

應用舉例

??? 由于FPGA的性能和靈活性,以及新的簡明的設計和實施方法,在很多新興DSP應用領域,如數字通信和視頻處理,FPGA都成為優選的解決方案。例如,Xilinx Virtex和Spartan-II FPGA可以用來實現通用移動通信系統（UMTS)碼分多址(CDMA)應用中的匹配濾波器。UMTS標準的芯片速率有8.192MHz和15.36MHz兩種選擇。通過FPGA解決方案,在未來不需要額外的資源就可以改變數據速率。

??? 在CDMA無線通信系統中,所有移動手機和所有無線基站都工作在相同的頻譜。為區分不同的呼叫,每個手機廣播一個唯一的碼序列。CDMA基站必須能夠判別這些不同的碼序列才能夠分辨出不同的傳輸呼叫進程。這一判別是通過匹配濾波器實現的,匹配濾波器的輸出顯示出在輸入數據流中探測到特定的碼序列。

??? 在CDMA數字通信接收器中,匹配濾波器作為信號處理器來計算發送信號與接收信號的相關性。FPGA都能提供良好的濾波器設計,而且能完成DSP的高級數據處理功能。

結論

??? 充分發揮FPGA DSP核心所具有的優點,便攜式系統設計人員可大大縮短設計周期。采用FPGA技術,還可以獲得高性能,滿足成本要求,并享有快速有效地對新設計進行優化的靈活性。