基于FPGA設(shè)計DSP的實踐與改進

當(dāng)設(shè)計的系統(tǒng)需要對數(shù)字信號進行處理時，常采用通用 DSP（Digital Signal Process）處理器，這樣的設(shè)計方案通用性好，且還有各種較為成熟的 DSP算法可以參考。但是，這類方案通常是雙核設(shè)計，即采用通用控制器（MCU）加上通用 DSP處理器實現(xiàn)，在實現(xiàn)系統(tǒng)時開發(fā)的復(fù)雜程度、難度都較大，也難以滿足定制特殊處理的需要。為了解決這些問題，人們開始尋求新的設(shè)計方案，基于通用處理器加上FPGA（大規(guī)?？删庨T陣列）的架構(gòu)方案逐漸成為主流，在新的方案中通用控制器完成控制和管理功能，專用的數(shù)字信號處理和組合邏輯功能由 FPGA實現(xiàn)，使得設(shè)計開銷與復(fù)雜程度明顯降低。

1 現(xiàn)行設(shè)計流程的不足

使用“MCU＋FPGA”架構(gòu)方案的開發(fā)流程如圖 1所示 [1]。系統(tǒng)的設(shè)計之初是先由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計小組制定出系統(tǒng)模型方案，并確定模型仿真正確之后將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案提交給FPGA設(shè)計人員，并依據(jù)系統(tǒng)模型用硬件描述語言創(chuàng)建系統(tǒng)同時創(chuàng)建測試平臺，比較系統(tǒng)級仿真結(jié)果與模型設(shè)計是否相符，當(dāng)不相符時則需要進行修改，并重新進行仿真驗證。在這種流程的開發(fā)中必定會存在很多的迭代與間歇。

分析其原因在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員與 FPGA設(shè)計人員的工作有重復(fù)與制約性。二者的工作同樣是進行系統(tǒng)設(shè)計，并且都要進行仿真，只不過前者是進行系統(tǒng)的軟件仿真，后者進行系統(tǒng)的硬件仿真。另外系統(tǒng)的建立需要幾位工程師的協(xié)同工作。如果當(dāng) FPGA設(shè)計人員驗證出系統(tǒng)設(shè)計有誤時，還要回轉(zhuǎn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員等待修改完再重新進行硬件系統(tǒng)設(shè)計與仿真。

2 設(shè)計流程的改進

2.1 EDA設(shè)計工具

1) MATLAB的 Simulink環(huán)境

MATLAB是 MathWorks公司開發(fā)的功能強大的數(shù)學(xué)分析工具。并且被廣泛應(yīng)用于科學(xué)計算和工程計算中[2]。Simulink是基于 MATLAB平臺推出的一個強大的動態(tài)系統(tǒng)仿真環(huán)境。它以圖形化模式進行系統(tǒng)建模仿真，可以快速完成系統(tǒng)的設(shè)計。并且具有強大的代數(shù)、微分等模型系統(tǒng)的求解器[3]。 2) DSP Builder

DSP Builder是 Altera公司開發(fā)了基于 Simulink開發(fā)的 DSP設(shè)計工具。在 Simulink中作為一個工具箱出現(xiàn)。這樣使得用 FPGA設(shè)計DSP系統(tǒng)完全可以通過 Simulink的圖形化界面進行，只要簡單地進行 DSP Builder工具箱的模塊調(diào)用即可。從而使得一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計變得相當(dāng)容易而且直觀。同時加速了 FPGA實現(xiàn)DSP 的開發(fā)流程 [4]。

2.2 改進開發(fā)流程

采用上述 EDA設(shè)計工具使得在系統(tǒng)在設(shè)計階段，由系統(tǒng)工程師負(fù)責(zé)系統(tǒng)的模型設(shè)計，并且在軟件的輔助下，進行硬件描述語言的代碼自動生成，最終可以下載到 FPGA中檢驗設(shè)計效果。即將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員與 FPGA設(shè)計人員的工作合并從而改進的設(shè)計流程。如圖 2所示。

設(shè)計流程的開始是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員基于 Simulink使用 DSP Builder工具箱提供的模塊建立系統(tǒng)模型。工具箱中的模塊涵蓋了算術(shù)和存儲功能，并且對其技術(shù)參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型和總線寬度等屬性進行設(shè)置。系統(tǒng)模型設(shè)計完成后就進入仿真環(huán)節(jié)。這是基于系統(tǒng)的算法級仿真，設(shè)計者甚至不用關(guān)心目標(biāo)硬件系統(tǒng)的屬性。如果仿真結(jié)果沒有得到預(yù)期設(shè)計的結(jié)果，可以很快通過修改模型進行調(diào)整。當(dāng)仿真結(jié)束后使用 Signal Compiler模塊進行系統(tǒng)模型的 Simulink模型文件（.mdl文件）到硬件描述語言的轉(zhuǎn)換。這個過程將自動生成硬件描述語言的代碼。之后通過綜合以后產(chǎn)生出原子級網(wǎng)表文件（底層電路描述文件）。然后調(diào)用 Quartus II 的編譯器生成可以下載的門級網(wǎng)表文件，最后下載到 FPGA上就實現(xiàn)了 DSP系統(tǒng)的硬件化過程。操作流程如圖 3所示。