基于FPGA+DSP新型架构信号协同处理方案分析

文章编号：１６７１－４０６７（２０２０）０３－００１６－０３
基于ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ新型架构信号协同处理方案分析
李金明１，高德亮２
（１．兰州石化职业技术学院电子电气工程学院，甘肃兰州７３００６０；２．兰州石化公司设备维修公司，甘肃兰州７３００６０）
摘要：数字信号处理通常采用“ＤＳＰ－ＡＲＭ”架构实现，数字信号按优先级被排列，实现并
行处理，这种数据处理方式存在一定的局限性。

数字化、宽带化是当今通信、数据传输、
数据处理的主流方向，一些高性能的信号处理应用，如医学成像、广播电视、军事安全等
等，已经越来越多的采用现场可编程逻辑阵列（ＦＰＧＡ）与数字信号处理器（ＤＳＰ）组成的
混合架构，这种新型架构处理信号的能力是“ＤＳＰ－ＡＲＭ”架构不可比拟的。

关键词：ＦＰＧＡ；ＤＳＰ；新型架构；速度；数据
中图分类号：ＴＮ７９１文献标识码：Ａ
ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ是一种用于信号处理器的新型架构，它结合了ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的各自的优点，不但能够实现ＡＳＩＣｓ逻辑功能；而且使成本大大降低，同时，新型架构利用了ＦＰＧＡ重新编程的特点，使程序灵活多变；这种新型架构的特点在于：（１）处理信号速度高；（２）编程简单，基于Ｃ／Ｃ＋＋语言的开发；（３）内置有内存管理器和Ｉ／Ｏ接口；（４）处理器之间通信由总线（如ＰＣＩ）连接到其他数字信号处理器，简化了电路的复杂程度。

１　ＤＳＰ与ＦＰＧＡ的性能
ＦＰＧＡ的优点在于每个时钟周期可运行多个指令，含有几百个乘法器／累加器等。

例如，新的Ａｌｔｅｒａ＿Ｓｔｒａｔｉｘ ＦＰＧＡ系列，每个芯片包含３８４个１８Ｘ１８乘法器／累加器，１８０Ｋ个标准逻辑元件，每个都以３７０Ｍｈｚ的频率运行；同时，ＦＰＧＡ允许存储器访问快速存储器设备，如：ＤＤＲ、ＤＤＲＩＩ、ＲＬＤＲＡＭ和ＱＤＲ。

此外，ＦＰＧＡ还可以通过高速ＲＳ－６４４总线接口（ＬＶＤＳ）和高速串行接口（ＳＥＲＤＥＳ）连接其他设备实现通信。

ＦＰＧＡ以其功能强大、开发周期短、投资少、可重复修改、开发工具智能及可升级软
收稿日期：２０１９－１２－２９
基金项目：２０１９年度甘肃省省级大学生创新创业训练计划项目（２０１９－３１３）
作者简介：李金明（１９６４－），男，陕西富平人，教授，硕士．件等特点，目前已成为通信领域硬件设计的首选方法之一。

但ＦＰＧＡ也有缺点，包括开发时间更长，时钟速率大约是ＤＳＰ处理器峰值的三分之一。

但他足以满足当前大部分开发设备的需要［１，２］。

表１　ＤＳＰ／ＦＰＧＡ比较
名称ＤＳＰＦＰＧＡ
最大时钟速率１ＧＨｚ３７０ＭＨｚ
乘法器（最大）
４个１６ｘ１６乘法
器／累加器
３８４个１８ｘ１８乘法器／
累加器
每个时钟的最大
指令数
４ｓｏｒ８ｓ１００ｓｔｏ１０００ｓ
编程Ｃ，Ｃ＋＋ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ
设计方法软件设计硬件设计
Ｉ／Ｏ接口固定、有限灵活、配置
存储器存储管理器根据需要制造商内置
内存带宽１－ＧｂｐｓＳＤＲＡＭ９．５－ＧｂｐｓＤＤＲＩＩ等
内核电源供电１．８Ｖ１．２Ｖ
Ｉ／Ｏ电源供电３．３Ｖ２．５－３．３Ｖ
运算速度高低
从表１可以看出ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的一些主要配置：
（１）ＤＳＰ和ＦＰＧＡ都可以使用基于硬件（ＨＷ）的乘法器和基于逻辑元件（ＬＥ）的乘法器来实现乘法器。

（２）ＦＰＧＡ支持其他内存接口，包括ＳＤＲ、ＤＤＲ、ＤＤＲＩＩ、ＲＬＤＲＡＭＩＩ、ＱＤＲ和ＱＤＲＩＩ。

第２０卷第３期兰州石化职业技术学院学报Ｖｏｌ ２０Ｎｏ ３２０２０年９月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬａｎｚｈｏｕＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＳｅｐ．，２０２０
ＤＳＰ和ＦＰＧＡ相互补充。

虽然ＤＳＰ是快速开发复杂算法的理想选择，但它仅限于一次最多有四个乘法器参与运算；而ＦＰＧＡ不但对整个矢量或矩阵同时进行乘法器运算，而且可以实现在线编程；此外，ＦＰＧＡ还适用于多个处理器协同工作，在数字信号处理器之间进行数据分配，并能将ＤＳＰ计算结果进行采集以及重新组合到单个输出端。

由ＦＰＧＡ和ＤＳＰ组成的体系结构，如今已在许多场合得到广泛应用。

医疗ＣＴ成像、管道探伤，国防科技等诸多领域已经开始利用基于ＦＰＧＡ和ＤＳＰ架构进行断层扫描，不但提高了检测、处理速度，而且提高检测的质量［２，３］。

下面以医疗ＣＴ成像为例，展现ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ架构的强大功能。

２　ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ架构实现ＣＴ成像
ＣＴ成像就是一种高性能ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ架构系统。

ＣＴ成像是ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ架构系统发展最快的方法之一，已经证明，它比以前的ｘ光检查效果更好。

目前，ＣＴ成像已经应用于很多新兴应用，如：医学方面已应用与心血管、虚拟结肠造影和神经病学。

ＣＴ之所以能在短时间内提供高分辨率图像是因为它采用了高性能ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ架构系统。

ＣＴ成像过程，病人平躺在轮床上；当病人静止时，动力滑环绕着病人旋转，从环的一侧发出低剂量射线，ＦＰＧＡ构成线性检测阵列，传感器检测环检查另一侧的射线数据，在每一个旋转过程中，ＣＴ机获得一个称为切片的三维横截面图，每个切片由１０００个或更多图像组成，这些图像以连续的径向间隔拍摄。

每转一圈后，动力滑环向下移动一小段距离，拍摄下一圈图像。

ＦＰＧＡ收集传感器数据上传ＤＳＰ进行快速运算，数据量很大（一个三维横截面图数据量多达２Ｔ字节），通过数据重建，构成三维高分辨率的人体软硬组织结构图像［４］。

ＣＴ最主要的技术是动力滑环和高性能图像处理。

动力滑环使扫描仪在患者身体周围均匀高速连续旋转。

ＦＰＧＡ的使用，排除了电源线和数据线与车轴的缠绕（以往的ＣＴ扫描仪只能扫描一周，然后再反向旋转一周，再扫描下一周），嵌入有ＦＰＧＡ的动力滑环使得旋转速度成倍提高，大大降低了捕获高分辨率图像所需的时间，也大大增加了传感器采集数据和处理生成数据所需的带宽，同时降低了设备的故障率，更重要的是大大减少了人体受Ｘ射线的照射时间。

典型的ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ架构ＣＴ系统包括数据采集、滤波、反投影、图像重建和显示的信号处理过程。

如图１所示，反映了典型的ＣＴ
图像重建流程。

图１　ＣＴ图像重建流程图
ＣＴ数字单元的第一步是ＦＰＧＡ采集传感器Ｘ射线数据。

该装置与数千个传感器相连，提供辐射水平的数字化读数。

采集需要一个高速可编程接口和一个数据缓冲区，能够收集样本并将其数据传输到系统。

从传感器获取数据需要滤波操作。

在ＣＴ中，图像变换和数据滤波在ＦＰＧＡ进行，由快速傅立叶变换（ＦＦＴ）和有限脉冲响应（ＦＩＲ）滤波器完成。

反投影是成像算法处理的核心。

反投影将所有扫描得到的ｘ射线矢量和衰减信息正弦矢量图进行变换，重建出二维和三维图像。

反投影算法是逆霍夫变换。

这个转换把电波图转换成人体二维图像。

逆霍夫变换需要高速的运算处理性能的处理器。

处理需求由三个主要变量组成，视图数、像素数和每秒图像数。

目前，典型值是１０００个视图乘以１百像素乘以每秒１５个图像，相当于每秒１５０亿次操作。

在未来，这个数值将达到４千个视图乘以４百像素乘以每秒３０个图像，即每秒４８０亿次操作。

图２所示
说明反向投影的基本原理。

图２　反向投影基本原理图
单纯的逆Ｒａｄｏｎ变换必须逐像素进行，它不能很好地矢量化。

对于图像中的每个像素，处理器必须对所有的对象进行扫描、检索信息并存储，因此，内存访问量不仅很大而且是非连续的，这就造成了数据检索的瓶颈。

逆Ｒａｄｏｎ变换由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ混合实现，ＦＰＧＡ接收传感器数据流，并对数据进行分段，为每个ＤＳＰ处理器提供均衡数量的像素进行计算。

ＦＰＧＡ还对每个ＤＳＰ处理器进行分析和检测。

包括ＤＳＰ处理器的执行、系统状态机管理、投影中像素到像素的线性增量以及控制内存和累加模块［４］。

然后再将处理后的像素发送到ＦＰＧＡ进行最终累积、图像重建，并输出到监视器，通常ＤＶＩ输出到ＬＣＤ屏幕。

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　李金明，高德亮．基于ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ新型架构信号协同处理方案分析
３　ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ架构应用实例
ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ构成的ＨａｒｒｉｅｒＰＣＢ板就是一个支持这种数字信号处理器加Ｆ
ＰＧＡ协处理架构的系统的例子。

该电路板是一个Ｐ
ＣＢ电路板，具有１５个６００ＭＨｚ（最高１ＧＨｚ）的ＴＩＣ６４１５ＤＳＰ和５个ＡｌｔｅｒａＳｔｒａｔｉｘＥＰ１Ｓ３０ＦＰＧＡ，带２ＧＢＳＤＲＡＭ内存。

ＦＰＧＡ连接到四个运行速度高达６８０ｍｂｐｓ的外部Ｉ／Ｏ端口，这些端口可以处理数据采集，以及“菊花链”板，以构建在同一数据源上，同时运行多达数百个ＦＰＧＡ和数字信号处理器的系统。

电路板架构基于处理集群，每个集群包含一个ＦＰＧＡ和多个数字信号处理器。

集群通过高速环形总线连接。

进入电路板的样品被分为两部分。

Ｆ
ＰＧＡ输出信号经过ＦＦＴ滤波器传送给ＤＳＰ，每个ＤＳＰ处理各自分段像素。

处理后的信息返回到ＦＰＧＡ。

然后主ＦＰＧＡ从所有ＦＰＧＡ中收集处理过的像素，并执行重建和输出监视器，该电路板可以应用于医疗、工业探伤、多来源信号处理场合。

图３所示为Ｈａｒｒｉｅｒ体系结构，图４显示了ＨａｒｒｉｅｒＰＣＢ
板。

图３　Ｈａｒｒｉｅｒ体系结构图４　ＨａｒｒｉｅｒＰＣＢ板４　结束语
Ｈａｒｒｉｅｒ设计为机器视觉系统搭建图像处理部分的硬件平台。

使用Ｄ
ＳＰ处理器加ＦＰＧＡ的新构架方案，充分满足工业、国防科技对高能效、连通性、高集成度外设、更低热量耗散、电池使用寿命要长的需
求［５，６］
；利用在线可编程技术，在ＦＰＧＡ中实现必要
的图像预处理算法，减轻ＤＳＰ的运算负担，新构架具备通用并行端口（ＵＰＰ），也是ＴＩ集成串行高级技术附件（ＳＡＴＡ）的器件；为后续的图像实时检测、重建打下了良好的基础。

参考文献：
［１］　田　耘，徐文波，张延伟，等．无线通信ＦＰＧＡ设计
［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００８．
［２］　潘　松，黄继业．ＥＤＡ技术与ＶＨＤＬ（第四版）［Ｍ］．北
京：清华大学出版社，２０１３．
［３］　罗苑棠．ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ常用模块与综合系统设计［Ｍ］．
北京：电子工业出版社，２０１８．
［４］　尹　康，杨　昆，刘　琨，等．基于ＦＰＧＡ的Ｍｉｃｒｏ－ＣＴ采
集控制系统设计［Ｊ］．数字通信世界，２０１９（０５）：１１９．［５］　Ｇｕｔｉéｒｒｅｚ－ｌｖａｒｅｚＩ，ＧｕｅｒｒｅｒｏＪＬ，ｅｔａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅ
ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒｉｎｓｅｒｔｉｏｎｄｅｐｔｈｔｏｍｅａｓｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｒａｄｏｎｅｘｈａｌａｔｉｏｎｒａｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｈａｚａｒｄｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｊｈａｚｍａｔ．２０２０．１２２３４４，［
６］　ＪｕａｎｊｕａｎＹｉｎ，ＧｕｏｊｉａｎＣｈｅｎｇ，ＸｉａｏｈｕａＴｉａｎ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＳＩＮＳ／ＧＰＳＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＤＳＰ＋
ＦＰＧＡ［Ｊ］．ＩＭＣＥ，２０１８（０８）：７３８－７４３．
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｉｇｎａｌＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｃｈｅｍｅＢａｓｅｄｏｎ
ＦＰＧＡ＋ＤＳＰＮｅｗＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ
ＬＩＪｉｎ－ｍｉｎｇ１，ＧＡＯＤｅ－ｌｉａｎｇ
２
（１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌ，ＬａｎｚｈｏｕＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００６０，Ｃｈｉｎａ；２．ＬａｎｚｈｏｕＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００６０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｓｏｍｅｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｉｎｇ，ｒａｄｉｏａｎｄｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ，ｍｉｌｉｔａｒｙｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｈａｖｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙａｄｏｐｔｅｄｔｈｅｈｙｂｒｉｄａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ａｎｄｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）．Ｂｅｆｏｒｅ，ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｗａｓｕｓｕａｌｌｙｒｅａｌｉｚｅｄｂｙ“ｄｓｐ－ａｒｍ”ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．Ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｓｗｅｒｅａｒｒａｎｇｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｐｒｉｏｒｉｔｙｔｏｒｅａｌｉｚｅｐａｒａｌｌｅｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｆｔｅｒｔｈｅｉｎｖｅｎｔｉｏｎｏｆＦＰＧＡｗｉｔｈＤＳＰｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｓｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆＤＳＰｓｙｓｔｅｍｉｓｒｅｄｅｆｉｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ＤＳＰ；ｎｅｗａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；ｓｐｅｅｄ；ｄａｔａ
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８１·兰州石化职业技术学院学报２０２０年　。