在數(shù)字電路方案設(shè)計中DSP與FPGA的比較與選擇

(4)圖象處理器。對于圖象的處理過程多是簡單的和重復(fù)的,這樣很適合用FPGA實現(xiàn)。然而,一個成像處理流程往往用于在所觀測的目標(biāo)識別“斑點”或“感興趣的區(qū)域”。這些“斑點”可能大小不一樣,造成后端的判斷及處理過程趨于復(fù)雜。同時,所用的算法往往是自適應(yīng)的,取決于斑點是什么樣的。所以用DSP構(gòu)成圖象處理管道的后端處理部分是合適的。

總之,DSP和FPGA代表著兩種數(shù)字系統(tǒng)的信號處理的過程,各有所長和不足之處。對于許多高速采樣頻率的應(yīng)用,特別是任務(wù)比較固定或重復(fù)的情況下,適合采用FPGA方案;同樣,對于較低的取樣速率和有很高復(fù)雜度的軟件問題的情況適合采用DSP方案。

4 新的設(shè)計思想

4.1 DSP+FPGA結(jié)構(gòu)

DSP+FPGA結(jié)構(gòu)最大的特點是結(jié)構(gòu)靈活,有較強的通用性,適于模塊化設(shè)計,從而能夠提高算法效率;同時其開發(fā)周期較短,系統(tǒng)易于維護和擴展。

例如,一個由DSP+FPGA 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的實時信號處理系統(tǒng)中,低層的信號預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大,對處理速度的要求高,但運算結(jié)構(gòu)相對比較簡單,適于用FPGA進行硬件實現(xiàn),這樣能同時兼顧速度及靈活性。高層處理算法的特點是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少,但算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜,適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP芯片來實現(xiàn)。

FPGA可以完成模塊級的任務(wù),起到DSP的協(xié)處理器的作用。它的可編程性使它既具有專用集成電路的速度,又具有很高的靈活性。

DSP具有軟件的靈活性;而FPGA具有硬件的高速性,從器件上考察,能夠滿足處理復(fù)雜算法的要求。這樣DSP+FPGA的結(jié)構(gòu)為設(shè)計中如何處理軟硬件的關(guān)系提供了一個較好的解決方案。同時,該系統(tǒng)具有靈活的處理結(jié)構(gòu),對不同結(jié)構(gòu)的算法都有較強的適應(yīng)能力,尤其適合實時信號處理任務(wù)。

4.2 嵌入DSP模塊的FPGA

應(yīng)用將一些能實現(xiàn)基本數(shù)字信號處理功能的DSP模塊嵌入的FPGA芯片是數(shù)字電路設(shè)計的另一個大趨勢。

有些公司已經(jīng)或計劃把基于ASIC的微處理器或DSP芯核與可編程邏輯陣列集成組合在一塊芯片上。FPGA提供的DSP性能已超過1280億MAC每秒,大大高于目前主流供應(yīng)商所能提供的傳統(tǒng)DSP的性能。

其中,Xilinx作為世界可編程邏輯器件的領(lǐng)導(dǎo)廠商,擁有先進的FPGA技術(shù)以及先進的開發(fā)工具。2000年11月,推出Xilinx XtremeDSP行動,試圖進入這一市場。Virtex-II可以提供6千億MAC(乘法累加運算)每秒的性能。采用這種并行結(jié)構(gòu),256階FIR濾波器中的每個樣本可以在一個時鐘周期內(nèi)處理完,因此極大地改善了DSP的性能和效率。

Xilinx XtremeDSP行動的目標(biāo)是希望滿足寬帶革命的高性能挑戰(zhàn)。其它特性還包括根據(jù)如芯片面積(相應(yīng)于使用的資源)和系統(tǒng)頻率來優(yōu)化DSP設(shè)計。XtremeDSP行動還推出了一些開發(fā)工具以彌補傳統(tǒng)上在DSP和FPGA設(shè)計方法間存在的差距。

新的Virtex-II系列的增強結(jié)構(gòu)使其在實現(xiàn)需要計算的算法時具有獨特的優(yōu)勢。Xilinx提供的測試數(shù)據(jù)表明,Xilinx FPGA比業(yè)界最快的DSP運行要快100倍。因此,單個FPGA即可代替?zhèn)鹘y(tǒng)上所謂的DSP處理器陣列。

目前世界上的許多手機基站產(chǎn)品采用了Xilinx公司Virtex-E FPGA。為了建立大量的連接,手機基站需要處理大量的數(shù)據(jù),其中大部分是采用某種DSP實現(xiàn)的。

性能比較突出的還有QuickLogic公司推出的QuickDSP系列,它提供了嵌入式的DSP構(gòu)件塊和可編程的邏輯靈活性。這個新的系列除了提供以前的可編程的邏輯和存儲模塊外,還包括專用的乘加模塊。這些合成的模塊可以實現(xiàn)DSP功能。支持DSP功能的軟件可以由公司獲得,除了QuickWorks開發(fā)軟件外,DSP 向?qū)О屖褂谜弋a(chǎn)生優(yōu)化的功能,如定點或浮點算術(shù)邏輯,FIR和IIR(Infinite Impulse Response無限沖激響應(yīng))濾波器等,只要鼠標(biāo)點擊幾下即可。

可以預(yù)測,在不久的將來,單一的DSP或FPGA實現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng)會被DSP+FPGA的結(jié)構(gòu)或嵌入DSP模塊的FPGA設(shè)計結(jié)構(gòu)所取代。