利用Spartan-3 FPGA實(shí)現(xiàn)高性能DSP功能

　　所有低成本的FPGA都以頗具吸引力的價(jià)格提供基本的邏輯性能，并能滿足廣泛的多用途設(shè)計(jì)需求。然而，當(dāng)考慮在FPGA構(gòu)造中嵌入DSP功能時(shí)，必須選擇高端FPGA以獲得諸如嵌入式乘法器和分布式存儲(chǔ)器等平臺(tái)特性。

　　Spartan-3 FPGA的面世改變了嵌入式DSP的應(yīng)用前景。雖然Spartan-3系列器件的價(jià)位可能較低，但它們同樣具有DSP設(shè)計(jì)所需的平臺(tái)特性。這些平臺(tái)特性能夠以較高的面積利用率實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能，使設(shè)計(jì)達(dá)到更低價(jià)位點(diǎn)。

　　Spartan-3器件用作協(xié)處理器或預(yù)/后處理器是非常理想的，它們將運(yùn)算密集型功能從可編程DSP上卸載下來(lái)以增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

　　1 針對(duì)DSP而優(yōu)化

　　賽靈思公司的Spartan-3器件采用90nm工藝技術(shù)以及300mm晶圓，大大降低了FPGA的成本。與此同時(shí)，這些器件還包括諸如嵌入式18×18位乘法器、大塊存儲(chǔ)器(18kb)、分布式RAM以及移位寄存器等關(guān)鍵DSP資源。這些高級(jí)特性意味著采用Spartan-3 FPGA，能以比其它競(jìng)爭(zhēng)FPGA低得多的價(jià)位實(shí)現(xiàn)DSP算法。

圖1：增強(qiáng)型架構(gòu)允許用

　　單個(gè)LUT代替16個(gè)寄存器。除增加系統(tǒng)的基本性能之外，這些嵌入式特性還能提高器件的利用率。例如，如果在邏輯結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)Spartan-3嵌入式乘法器，需要占用300~400個(gè)邏輯單元(LE)。此外，因?yàn)榍度胧匠朔ㄆ骶o鄰邏輯結(jié)構(gòu)，所以拓展其功能(比如創(chuàng)建加法器或者級(jí)聯(lián)多個(gè)乘法器來(lái)支持復(fù)雜的算法功能)是非常簡(jiǎn)單的。

　　為提高效率，許多DSP功能以時(shí)分復(fù)用的形式在管道中得以很好實(shí)現(xiàn)。這樣做雖然能創(chuàng)建帶寬更高、速度更快的系統(tǒng)，但同時(shí)也將面臨更多臨時(shí)存儲(chǔ)單元需求而帶來(lái)的成本增加。譬如，時(shí)分復(fù)用濾波器需要將各個(gè)乘法－累加單元的結(jié)果存儲(chǔ)在移位寄存器里。這種設(shè)計(jì)將在用完FPGA的邏輯資源之前就可能耗盡寄存器或存儲(chǔ)器資源。Spartan-3 FPGA系列的獨(dú)特之處在于它們可提供這樣一種模式：一個(gè)查找表(LUT)能夠執(zhí)行邏輯功能或配置成一個(gè)16位移位寄存器。

　　如圖1所示，這種增強(qiáng)型的架構(gòu)允許用單個(gè)LUT來(lái)代替16個(gè)寄存器，在實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用DSP功能時(shí)能使面積利用率最大化。

　　許多DSP功能也需占用大量的存儲(chǔ)器資源，它們需要便箋存儲(chǔ)器來(lái)保存系數(shù)、執(zhí)行FIFO以及獲得較大的緩沖區(qū)。與目前使用的其它低成本FPGA相比，Spartan-3器件可提供更多的存儲(chǔ)位數(shù)。對(duì)于許多DSP設(shè)計(jì)而言，最重要的資源是FPGA內(nèi)的嵌入式存儲(chǔ)器，而不是邏輯電路或者乘法器。因?yàn)榇鎯?chǔ)資源不足，采用競(jìng)爭(zhēng)的低成本器件的設(shè)計(jì)工程師不得不選用更大規(guī)模的器件或采用外部存儲(chǔ)器來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)只需一片體積很小的Spartan-3 FPGA就可以得到實(shí)現(xiàn)。

　　2 常見(jiàn)的DSP功能實(shí)現(xiàn)

　　下面通過(guò)分析有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)示例來(lái)說(shuō)明這些特性是如何影響器件的利用率。一個(gè)是基于乘法累加器(MAC)的實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)是基于多通道分布式算法(DA)的實(shí)現(xiàn)。

　　FIR濾波器通常應(yīng)用于基站、數(shù)字視頻、無(wú)線局域網(wǎng)、xDSL以及有線調(diào)制解調(diào)器。測(cè)試基準(zhǔn)是在Spartan-3 XC3S400 FPGA中實(shí)現(xiàn)頻率為130MHz、數(shù)據(jù)和系數(shù)均為16位的64抽頭MAC FIR濾波器。第一個(gè)實(shí)現(xiàn)僅用了一個(gè)MAC，第二個(gè)實(shí)現(xiàn)則用了四個(gè)MAC。

　　從采用單個(gè)MAC的實(shí)現(xiàn)到采用四個(gè)MAC的實(shí)現(xiàn)可顯著增加FIR濾波器的性能，而LUT數(shù)量只增加一倍并仍僅占總可用邏輯資源的4%。四個(gè)MAC的實(shí)現(xiàn)使用了四塊RAM和四個(gè)MAC，以最少的器件邏輯資源高效地實(shí)現(xiàn)了FIR濾波器。

　　另一個(gè)有趣的實(shí)現(xiàn)是多通道FIR功能的實(shí)現(xiàn)，在這里可以看到從單通道FIR濾波器到8通道FIR濾波器，器件利用率是如何變化的。

　　實(shí)現(xiàn)單通道分布式算法FIR濾波器使用了XC3S1000 Spartan-3器件29%的邏輯資源和39%的寄存器資源。當(dāng)實(shí)現(xiàn)同樣的8通道濾波器時(shí)，通常將不同通道進(jìn)行時(shí)分復(fù)用來(lái)保存邏輯，但這將占用很多寄存器或者大量的片內(nèi)存儲(chǔ)器來(lái)存放中間結(jié)果。

　　如果使用Spartan-3 FPGA，中間結(jié)果將被存放在由LUT配置成的16位移位寄存器(SRL-16)中。這樣，實(shí)現(xiàn)同樣的8通道濾波器只多使用10%的可用邏輯資源和7%的可用寄存器資源，也就是說(shuō)，構(gòu)建8個(gè)通道僅多占用25%的器件資源。

　　這種顯著的資源節(jié)約與Spartan-3器件中SRL-16的使用有直接關(guān)系，在8通道實(shí)現(xiàn)中還有另外1,343個(gè)LUT被用作SRL-16模式。

　　如果在不支持SRL-16性能的FPGA中實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，將需要額外的10,744(1343×8)個(gè)觸發(fā)器用作存儲(chǔ)單元，這就必須選用大規(guī)模器件以提供數(shù)量龐大的寄存器，同時(shí)將也會(huì)消耗相關(guān)的組合邏輯資源。