3 如何进行DSP和FPGA方案选择
3.1 方案选择原则
在选择数字系统核心处理部分的方案时,有很多因素需要考虑。例如如何充分利用已有资源(包括软、硬件)、系统要求的工作时钟速率以及算法或工作方式的特点等,这些对最佳方案的选择有很大的影响。
具体地说,在最初的方案论证阶段,可以根据如下问题的回答情况来进行方案选择:
(1)该系统的取样速率是多少?
如果高于几MHz,FPGA是理所当然的选择。
(2)系统是否已经使用C语言编制的程序?如果是,DSP可以直接地实现。它可能达不到方案的最佳实现,但很容易进一步开发。
(3)系统的数据率是多少?
如果高于20～30Mbyte/second,则用FPGA处理更佳。
(4)有多少个条件操作?
如果没有,FPGA是很好的;如果很多,则软件的实现即DSP的实现是更好的选择。
(5)系统是否使用浮点?
如果是,则使用可编程的DSP更好。目前为止,一些FPGA开发商,如Xilinx 公司的核还不支持浮点,尽管自己可以设计。
(6)所需要的库是否能够获得?
DSP和FPGA都提供诸如FIR或FFT等基本的构建模块。然而,更复杂的或专用的构件可能得不到,这将决定选择。
3.2 方案选择示例
下面提供了几个数字电路设计例子,有助于理解前面介绍的方案选择原则。
(1)用于无线数据接收机的抽样滤波器。典型的CIC(Control Integrated Circuit 控制集成电路)滤波器工作在50～100MHz的取样率,5步CIC有10个寄存器和10个加法器。要求加速度在500～1000MHz。
在这一速率下任何的DSP处理器将很难实现。然而CIC只有非常简单的结构,这样以FPGA来实现将会很简单。100MHz的取样率可以达到,甚至某些型号的FPGA还可以有些剩余资源来实现进一步的处理。
(2)实现通信堆栈协议——ISDN(Integrated Services Digital Network 综合服务数字网)。IEEE1394有很复杂、大量的C代码,完全不适合用FPGA来实现;但是用DSP来实现却很简单。不仅如此,一个信号编码基数可以得到保留,这样可以使代码堆栈在某一产品的DSP上来实现,或者在另一块DSP上的分离的协议处理器来实现。这将给专门提供为代码堆栈授权的供应厂家以机会。
(3)数字射频接收机的基带处理器。一些类型的接收机需要FFT来获得信号,然后匹配滤波器一次获得信号,这两个模块可以很简单的用任何一种方案实现。然而如果要求工作模式转换/信号获得和信号接收的转换;则采用DSP方案更适合。因为FPGA方案需要同时完成两个模块。
这里要注意,射频用FPGA实现更好,因为这是一个混合、多任务的系统。如果应用更大的FPGA,这样两个模块可以同时用一个FPGA来实现。
(4)图象处理器。对于图象的处理过程多是简单的和重复的,这样很适合用FPGA实现。然而,一个成像处理流程往往用于在所观测的目标识别“斑点”或“感兴趣的区域”。这些“斑点”可能大小不一样,造成后端的判断及处理过程趋于复杂。同时,所用的算法往往是自适应的,取决于斑点是什么样的。所以用DSP构成图象处理管道的后端处理部分是合适的。
总之,DSP和FPGA代表着两种数字系统的信号处理的过程,各有所长和不足之处。对于许多高速采样频率的应用,特别是任务比较固定或重复的情况下,适合采用FPGA方案;同样,对于较低的取样速率和有很高复杂度的软件问题的情况适合采用DSP方案。
4 新的设计思想
4.1 DSP+FPGA结构
DSP+FPGA结构最大的特点是结构灵活,有较强的通用性,适于模块化设计,从而能够提高算法效率;同时其开发周期较短,系统易于维护和扩展。
例如,一个由DSP+FPGA 结构实现的实时信号处理系统中,低层的信号预处理算法处理的数据量大,对处理速度的要求高,但运算结构相对比较简单,适于用FPGA进行硬件实现,这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少,但算法的控制结构复杂,适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。
FPGA可以完成模块级的任务,起到DSP的协处理器的作用。它的可编程性使它既具有专用集成电路的速度,又具有很高的灵活性。
DSP具有软件的灵活性;而FPGA具有硬件的高速性,从器件上考察,能够满足处理复杂算法的要求。这样DSP+FPGA的结构为设计中如何处理软硬件的关系提供了一个较好的解决方案。同时,该系统具有灵活的处理结构,对不同结构的算法都有较强的适应能力,尤其适合实时信号处理任务。
4.2 嵌入DSP模块的FPGA
应用将一些能实现基本数字信号处理功能的DSP模块嵌入的FPGA芯片是数字电路设计的另一个大趋势。
有些公司已经或计划把基于ASIC的微处理器或DSP芯核与可编程逻辑阵列集成组合在一块芯片上。FPGA提供的DSP性能已超过1280亿MAC每秒,大大高于目前主流供应商所能提供的传统DSP的性能。
其中,Xilinx作为世界可编程逻辑器件的领导厂商,拥有先进的FPGA技术以及先进的开发工具。2000年11月,推出Xilinx XtremeDSP行动,试图进入这一市场。Virtex-II可以提供6千亿MAC(乘法累加运算)每秒的性能。采用这种并行结构,256阶FIR滤波器中的每个样本可以在一个时钟周期内处理完,因此极大地改善了DSP的性能和效率。
Xilinx XtremeDSP行动的目标是希望满足宽带革命的高性能挑战。其它特性还包括根据如芯片面积(相应于使用的资源)和系统频率来优化DSP设计。XtremeDSP行动还推出了一些开发工具以弥补传统上在DSP和FPGA设计方法间存在的差距。
新的Virtex-II系列的增强结构使其在实现需要计算的算法时具有独特的优势。Xilinx提供的测试数据表明,Xilinx FPGA比业界最快的DSP运行要快100倍。因此,单个FPGA即可代替传统上所谓的DSP处理器阵列。
目前世界上的许多手机基站产品采用了Xilinx公司Virtex-E FPGA。为了建立大量的连接,手机基站需要处理大量的数据,其中大部分是采用某种DSP实现的。
性能比较突出的还有QuickLogic公司推出的QuickDSP系列,它提供了嵌入式的DSP构件块和可编程的逻辑灵活性。这个新的系列除了提供以前的可编程的逻辑和存储模块外,还包括专用的乘加模块。这些合成的模块可以实现DSP功能。支持DSP功能的软件可以由公司获得,除了QuickWorks开发软件外,DSP 向导包让使用者产生优化的功能,如定点或浮点算术逻辑,FIR和IIR(Infinite Impulse Response无限冲激响应)滤波器等,只要鼠标点击几下即可。
可以预测,在不久的将来,单一的DSP或FPGA实现的数字系统会被DSP+FPGA的结构或嵌入DSP模块的FPGA设计结构所取代。