基于FPGA的dsp,信号处理系统手册,第二部...

基于dsp的FPGAJohn McAllister摘要当多处理器平台不能满足实时性时需要用现场可编程门阵列（FPGA）为DSP系统提供一个良好的主嵌入式装置，但体积太小而不足以证明开发定制芯片的成本。

这种独特作用，是因为FPGA有针对应用程序设计自定义计算结构的能力。

现代的FPGA接收了一系列只能被由自定义的协处理器、并行软件的处理器和专用硬件设备组成的异构处理架构利用的复杂处理方法。

这些架构的复杂性，加上为每个新的应用程序实现频繁更新的需要使得FPGA系统可以解决一个非常复杂和独特的设计问题。

在这一过程中，成功的关键是设计师能够良好地利用自定义架构的FPGA资源，以及设计工具能够快速高效地生成这些架构。

本章介绍了国有最先进的支持DSP设计过程的FPGA器件资源，计算机的体系结构和设计工具。

1引言在80年代中期，FPGA技术的创始人意识到，当时的晶体管稀少，对电路设计者而言十分珍贵，而摩尔定律的存在终将使得晶体管便宜到可以作为一种低成本的集体模块[34]。

如果这些模块允许作为可编程的逻辑使用，也就是在功能上灵活地执行任意简单的逻辑功能，并可以任意互联，它们可以在网络中实现任何数字逻辑功能。

这一设想成为在Xilinx XC2064，世界上第一个FPGA器件在1985年的化身。

在此期间，FPGA发生了显著的改变，从原来的简单的胶合逻辑风格设备的化身，到特定领域的异构处理平台，包括微处理器，多千兆位串行收发器，网络通讯终端和最新一代广阔水平的片上计算资源。

选择FPGA作为一个DSP应用的目标平台的关键因素是实时性能和成本。

而软件处理器允许功能的灵活性以及应用程序的实时性能要求或例如在尺寸和功耗方面的物理限制的实现，除此之外这些事是可以实现的。

在这种情况下，除非有足够容量，否则非经常性工程（NRE）与创建一个定制的专用集成电路（ASIC）的成本在商业上是不可行的。

对于这样的高性能，低容量的数字信号处理系统，满足应用的实时性要求以及开发的实用性要求的大型通用计算架构的FPGA的性能是一个关键的优势。

,在容纳“专用硬件”的体系结构,即网络交互功能块中（其中每一个功能块都为了执行的特定的DSP功能而创造），FPGA的可编程逻辑发展历史为一片空白。

事实上，提供这种方法的设计工具是非常好的（里面的数字没找到是什么意思）。

然而，在这个观点是孤立的建立在一种幼稚的假设上：FPGA其本身拥有强大的功能，即有一个足够的系统资源来创建特定的DSP计算功能。

那些自夸相对DSP上运行的乘法累加器（MAC）处理器资源具有50倍性能的高端产品主要可以完成以下功能：他们可以容纳主机给定的大部分结构，从大容量，低带宽片外电阻存储器，到小容量，高带宽的片内电阻静态随机存取记忆体（SRAM）；他们有很多其他物理资源，如前所述，其有能力轻松地在应用程序开发任务和数据并行，提供可能优于其他固定结构，并可和编程嵌入式软件设备相结合。

然而，这些功能只有在设计者能够以比较方便的途径利用到这些资源的前提下才能实现。

正确使用现代高性能FPGA资源，指在经典的专用硬件组件条件下具有可选的异构网络加速器协处理器[4，12，13，40]和并行软件处理架构的微处理器（即根据一个单一的控制运行多个数据通路创造控制单元）[2，46]。

为每个新应用程序创建一个满足其要求的新的复杂架构使FPGA系统设计很特别。

对这一过程中成功的关键是理解算法的要求并实现，如何有效地使用目标设备的各种资源，以及有能力快速设计出一个有效的定制和调整计算架构。

本章探讨了实现DSP应用，计算架构的种类目前FPGA的功能，而利用这些能力最好，以及如何建立这些系统可以快速，有效地一些例子。

在第2节和第3节，主要介绍了FPGA技术的演进，主要加工资源的国家的最先进的FPGA实现DSP系统相关的可用的描述。

第4节和第5节描述了如何使用各种可利用FPGA 资源有效利用不同的设计风格，以实现DSP应用，而第6节介绍了大量的设计工具，以及它们如何使应用程序的高效率的设计基于FPGA的DSP应用程序。

2.FPGA技术2.1FPGA的基础可编程的FPGA是基于两个主要原则：1，可编程功能块的使用；2，可编程互连允许多个块，可以连接到形成更复杂的逻辑功能。

一个经典的FPGA器件的总体结构并突出关键的架构组件如图1所示。

图1.典型的FPGA器件的结构FPGA的基本组成结构是查找表（LUT：look-up-table）（FPGA最基本的单元！）。

LUT的是一个只读存储器（ROM），可进行编程来模拟通过存储在内存中位置相关的输入输出完成相应的逻辑功能。

加载到每个芯片查询表的数据称为FPGA配置（这个词翻译可能不对，有个专门的词，我记不大清了，要翻书看看）。

从最早的化身，直到最近，这些查询表有四个输入和一个输出，因此可以仿效的任何相同的尺寸或更小的逻辑函数的行为。

通过这些连接在一起使用的可编程互连网络的LUT能够实现更高维度的逻辑功能。

由此产生网络，然后通过可编程引脚连接到外部设备。

这两个特点使得FPGA的编程和FPGA器件的不断更新换代中LUT的数量越来越多以实施越来越复杂的功能。

在最新的一代元件中有多达70,000多个诸如此类的LUT。

这种增加的查询表资源通过在设备上配置的更多运算器使得其没有约束的并行开发能力得以提升（其本身的物理资源受限制）并在软件上不受地址结构影响而出现诸如地址不够等问题（这边是自己添上去的例子）。

设计者获得了每个LUT的功能，并相应可以在FPGA上通过位电平的方式控制任何一个结构，相对于文字水平操作优越的软件处理技术。

这新增的能力，尽可能多地在目标FPGA器件允许，物理极限并行处理资源耦合意味着FPGA的可编程架构能发挥更高的性能，并行计算架构的DSP。

然而，这种资源是增强在最近几代FPGA器件，如Xilinx的Virtex R系列拥有先进的资源（和更高版本），以进一步推动了DSP的应用程序的性能。

第2.2节概述了这使得他们作为高性能DSP 系统的主机设备的使用FPGA的关键架构的演变，并介绍了该装置的性质（从领先的FPGA供应商，Xilinx和Altera公司）。

2.2FPGA的发展由于他们在80年代中期发明，FPGA的已经规划了一个非常规的发展道路，可大致分为三个不同的阶段，如2.2.1- 2.2.3所述。

2.2.1时期1：自定义胶合逻辑在其原始形式，LUT的资源上的FPGA设计人员可以调用的数量极为有限。

在这个时代，FPGA中的一个作为主机的胶合逻辑，多个独立的芯片可以连接，如果他们的信令接口设备的利基是不一致的。

由于相对简单的电路，每个设备可以主办，门级（关键单元，跟LUT差不多属于很入门很基础很重要的东西）的功能是足够的生产设备是可行的原理图捕获。

2.2.2 时期2：中密度逻辑随着摩尔定律的进步，越来越多的LUT可能被挤到一个单一的FPGA器件。

这导致了一个新的类型的FPGA，如Xilinx的Virtex和Altera公司的Stratix系列，这可能主机位并行DSP的基本操作，如滤波器和变换一个单芯片。

方便与所占用的并行芯片的不同部分使用相结合，这些组件相比传统的软件可以达到非常高的性能，甚至专用DSP处理器的同一时代的处理器。

为了增加设备的逻辑密度，设计上加入了大量的结构特征以提高其数学运算性能。

特别是，在LUT中加入特殊的进位逻辑意味着FPGA的编程逻辑中将产生更高的速度的并行电位加法器，进一步，引入专门的乘数组件意味着高速乘法累加器（MAC）功能（基本操作，例如无限/有限脉冲反应滤波器，快速傅里叶变换和离散余弦变换）（括号里面几个英文简称翻译出来的东西我也不知道对不对）可以实现，在推动这些类型的业务表现时，FPGA中实现转机。

关于实施这些设备日益复杂的电路，设计抽象水平从门级增加到算术组件和运用到诸如VHDL 和Verilog（FPGA标准语言，编程必用）等硬件设计语言的寄存器传输级（RTL），而VHDL 和Verilog等语言则是专门为了开发的支持在这些级别的设计的语言，最后演变成为FPGA的标准的开发语言。

这些都是由发展路线相似的专用集成电路技术（ASIC），可转换这些描述的寄存器传输级（RTL）到门级网表，其中包括Synplicity公司的诸如Synplify Pro的综合工具，如Xilinx的ISE，Altera公司的Quartus（我们一般用这个软件来写）等具体执行工具，其主要是支持转换门级网表为设备编程文件。

2.2.3 时期3：复杂系统可编程芯片随着FPGA的，在系统架构和设计风格出现明显的分歧进一步一代变得越来越明显。

在这些设备上，就有可能实现架构的单位组成，如赛灵思Microblaze [12]软核处理器的多处理器（即一个处理器实现使用了FPGA的可编程架构）或硬核处理器在设备芯片嵌入由可编程结构不同，如赛灵思Virtex 上的R - II Pro的[13]的PowerPC处理器。

与其他的引进和扩大嵌入式芯片的单位，如块RAM的（BRAMs），千兆串行收发器，MAC地址数据通路并要求对通过计算机网络快速整合，如以太网或PCI Express标准的网络终端相结合，FPGA的架构已经多样化，包括一期可能会以不同的方式实现DSP功能，使用范围广泛的异构组件。

表1：当前赛灵思FPGA产品此外，今天的设备不是基于一个单一的结构，每一代的设备进入家庭，每个细分的参展预期的应用领域而有不同特点的家庭。

考虑到目前赛灵思FPGA 产品的质量范围，这在表1所列。

由上所示可以，通常有两个档次的设备：性能更高的Virtex 为较大幅度的应用设备，成本较低的Spartan 为小型应用设备。

这两个类，然后再细分为家庭，视所需的目标应用，因此专门的Virtex已经在嵌入式，DSP产品和高带宽处理领域。

这些家庭的每个设备，还提供了由他们的处理功能相混合的特点表现出不同的大小。

例如，FXT的Virtex设备包含最多两个PowerPC处理器，24个多千兆位串行信号收发器，四个PCI 传输端点和以太网MAC控制器，以实现高效率，嵌入自定义的网络计算体系结构的快速施工。

在DSP应用领域，Spartan的Virtex 系列提供相应的SXT和3ADSP装置。

相较而言提供给多个家庭同一等级的FPGA，Altera划分为三个等级的FPGA 的范围来提供的设备，每年各不相同。

其性能变化范围从的Stratix的高端设备，到Arria中档设备，再到最后Cyclone的低端设备..尽管他们不同的起源，然而，这些设备所展现的功能，支持DSP的应用，从理论上讲，非常相似。

在第3节将对这些内容在高端DSP产品进行描述主要分析Xilinx和Altera两家公司的产品对应其相应的产品Virtex和Stratix。