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发信人: whynot (精诚所至，金石为开), 信区: Electronics
标  题: FPGA 的 DSP 应用
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Sep 19 15:17:06 1999), 转信

FPGA 的 DSP 应用
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---- 目前半导体的制造工艺已经达到0.25 μm、五层金属的水平
，Xilinx 也推出了世界上最大的FPGA：XC40125XV，其门数达到25 万
门，今年还计划推出0.18 μm、100 万门的FPGA，并且采用具有系统
集成特性的结构，如分段布线、除片内分布RAM 外增加片内RAM
和高速片外RAM 接口等。这些技术为芯片上进行系统级集成提
供了硬件条件。
---- 在开发系统上，Xilinx 与综合技术实力很强的Synopsys 主推Ex
press 软件，Express 可结合器件结构进行优化综合，以VHDL 或Veril
og 等标准硬件描述语言进行设计，保证了优化的质量。由于E
xp ress 是PC 平台的软件，因此已成为非常受欢迎的电子设计软
件。
---- 目前，国外已广泛利用知识产权（IP）产品进行电子设计，
Xilinx 把其内核产品和第三方合作伙伴开发的系统级设计模
块/ 系统作为IP 产品来提供，包括DSP 、ATM、SDRAM 控制器和CAN 总线
接口等，因此，客户由以前购买IC 产品然后在印制板上集成
系统的方式，变成当前在网上选购IP 产品再在芯片上集成系
统。
---- 由此可见，由于硬件、软件和IP 产品等已为芯片上系统级
集成创造了条件，所以FPGA 迅速向DSP 等系统级应用方面发展。

---- 传统上，DSP 的算法是利用通用可编程DSP 器件实现低速率
的应用，而利用专用DSP 芯片组和专用集成电路（ASIC）实现高
速的应用。FPGA 的优点为DSP 设计工程师提供了新的选择，FPGA
具有类似ASIC 的定制功能的优点，并解决了ASIC 高开发成本和
制成产品后不能进行修改的缺点。FPGA 在保持印制板空间和系
统功耗不变的同时，也增加了设计的灵活性和适应性。对于
要求利用DSP 的设计，或者产品上市时间要求短及设计适应性
严格的设计，FPGA 是很好的解决方案。
---- 基于SRAM 的FPGA 特别适合包括乘法、累加等的DSP 功能算法，
以及广泛的算术函数，如F FT、褶积和各种滤波器算法，并可
以和周围的外设电路一起集成。
---- 在FPGA 器件中构造DSP 系统时，设计可以采用并行结构和分
布算术算法的优点，使资源最小化，并可超过单片或多片DSP
器件的性能。FPGA 中阵列乘法的分布算术算法是增加设计带
宽和流量的一个方法，可以超过流行DSP 方案的几个数量级。
---- FPGA 还具有系统运行过程中进行再配置的能力，可以有选
择地更替执行多个系统级功能的一种。系统内可编程的FPGA
可以在系统运行期间在印制板上进行再配置。采用可再配置
的特点使一个最小芯片的方案可以转换为执行多个功能。对
于由内部或外部控制器控制的这种最小芯片的DSP 系统，FPGA
增加了系统的功能和处理能力。这个“ 可再配置计算 ” 技术
已经开始影响DSP 的设计方法。
---- Xilinx 的XC4000 FPGA 是可配置逻辑功能块（CLB）的大矩阵，每
个CLB 有两个16 ×1bit 的 RAM 基本单元，XC40125XL 包含超过9000 个带
有触发器和可编程互连的RAM。每个CLB 可以用来实现逻辑功能
、查找表的ROM、单口或双口RAM。称为SelectRAM 的存储器分布在
整个芯片内，因此是片内分布RAM。
---- Xilinx DSP 方案的关键元件包括利用称为分布运算的独特
方法，分布运算对于分布RAM 结构是完全匹配的。利用这个运
算与结构相结合的匹配，复杂的DSP 功能可以按照全定制芯片
的效率装配进FPGA。查找表和加法器结合起来可解决很多类
型的DSP 问题，许多复杂的运算在查找表中被解决。例如，在串
行分布运算（SDA）FIR 滤波器中，查找表包含预先计算的滤波
器系数之和，利用输入的采样数据作为到查找表的地址，许
多操作可并行地执行，不用任何乘法器构成的FIR 滤波器可以
惊人地减少执行此功能需要的资源。
---- FIR 滤波器中的分布RAM 也可用来缓冲采样数据流。对于16
位数据字，每个采样字要求16 个触发器。如果构造500 个抽头将
需要超过8000 个触发器，比现在大多数FPGA 包含的触发器还要
多，但是采样分布RAM 中带有许多中间抽头的大容量移位寄存
器可以由RAM 基本单元构成，几百抽头和运算每秒超过一亿次
采样率的滤波器可装配进单个FPGA 器件中。
---- 自适应滤波器也可以得益于分布RAM。基于RAM 的查找表可
以代替串行分布运算中基于RO M 的查找表和并行分布运算FIR
滤波器的核，因为RAM 查找表允许系数瞬时更新，在FPGA 中若没
有分布RAM，要实现大规模的自适应滤波器是不可能的。
---- 在DSP 应用中，几十亿次的乘法累加要求许多结点能够高
速转换，对于CMOS 的IC 工艺，这种转换增加器件的交流功耗，所
以，功耗常常成为限制因素，降低功耗也就显得尤其重要。
对于给定工艺的几何尺寸，降低功耗的关键是缩短金属连线
的长度来减少分布电容，达到至少降低两倍的功耗。Xilinx FP
GA 器件采用分段布线的结构来降低功耗，也使其DSP 应用带来
附加的特性。它允许在设计实现之前规定DSP 核的尺寸和性能
，当DSP 核装配到一个大器件时得到相符的性能。
---- Xilinx 的CORE 产生器和DSP 的LogiCORE 产品已经为用户完成大多
数DSP 的设计工作，这个工具自动地产生系统级DSP 功能块。经
过预先校验和性能表征的DSP 核可以从分层的库中选择，然后
按用户精确的技术条件给予参数，只要连接中心功能块就能
创建一个每秒处理几百万次采样的设计，而不需要开发实时
的处理器运行码。CORE 产生器产生符合用户技术条件的核，它
可以提交这些核与大多数标准的硬件设计环境使用，如VHDL、
Verilog 或原理图输入等，它们的输出是逻辑网表和行为模型，
为原理图输入使用的符号形式或为VHDL 及Verilo g 使用的指令
码，LogiCORE 数据表中给出每个核的性能。
---- 由于目前的流行趋势是网上选购IP 产品及单片集成数字
系统，这就为FPGA 的DSP 应用创造了广阔的应用前景。

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                 因一个词的力量
                 我重新开始生活
                 我生来就认识你
                 要把你称作
                           自由

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