利用 Virtex-5 SXT 的高性能 DSP 解決方案

　　二十多年來，F(xiàn)PGA 為世人提供了最靈活、適應性極強、快速的設計環(huán)境。早期的 DSP 設計人員發(fā)現(xiàn)，可將一種可再編程的門海用于數(shù)字信號處理。如果把內(nèi)置到 FPGA 架構中的乘法器、加法器和累加單元結合起來，就可以利用大規(guī)模并行計算實現(xiàn)有效的濾波器算法。

　　在未加工頻率性能方面的損失，通過并行計算得到了彌補，而且得遠大于失，可謂“失之東隅，收之桑榆”；由此獲得的 DSP 帶寬完全可與替代方案媲美。隨著時間的推移，乘法器和加法器的實施越來越高效。1998 年，Xilinx 順理成章推出了第一個集成于 Virtex™-II FPGA 系列產(chǎn)品中的嵌入式乘法器。Xilinx® Virtex-II 和 Virtex-II Pro 系列產(chǎn)品深得人心，推動基于 FPGA 的 DSP 更上層樓，打破了每秒十億次 MAC 運算的壁障。

　　在數(shù)字通訊、軍事、國防、視頻和圖像市場需求的助推下，Xilinx 進一步做出調(diào)整，成功應對了一系列獨特挑戰(zhàn)，使極大規(guī)模并行實施方式跨上又一個新臺階。隨著乘法器和加法器性能和數(shù)量的增長，對功耗進行管理也變得越來越困難。

　　Xilinx 的工程師們設計出了 DSP48 Slice，使這一難題迎刃而解。DSP48 Slice是一種超低功耗、高性能、全方位的數(shù)字信號處理元件，可方便地實現(xiàn)級聯(lián)，而不占用任何 FPGA 架構資源。此元件在 Virtex-5 器件中得到進一步加強，并重新命名為 DSP48E Slice，能支持更高的精度、SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）操作、集成模式檢測電路和邏輯單元。
對快速數(shù)據(jù)輸入和系數(shù)存儲器的需求促使 Xilinx 構建起一個數(shù)字信息處理平臺，其中的 DSP48E Slice 含有率之大前所未見，并且擁有極其充裕的 Block RAM 和分布式 RAM。作為畫龍點睛之筆，Xilinx 在此平臺中使用了運行速度高達 3.125 Gbps 的集成高速串行通道，在芯片上移入和移出數(shù)據(jù)變得更為快捷。風云際會，這些元件組合在一起，Virtex-5 SXT 平臺由此應運而生。

Virtex-5 SXT 引擎 – DSP48E Slice

　　想要理解 FPGA 中數(shù)字信號處理的演變過程，必須回顧一下 DSP48E Slice（見圖 1），及其設計的三個主要方面。

　　• 集成乘法器和第二階段。利用集成的二級加法器/減法器/累加器擴展乘法器的運算。現(xiàn)在，在單獨一個 DSP48E Slice 中，就可以執(zhí)行最常見的 DSP 運算組合了。

　　• 緊縮實施。為了提高性能、降低功耗，各個 DSP48E Slice 被設計成獨立元件，然后通過接口像積木塊一樣連接到一起，而每一個 DSP48E Slice 都包含獨立于 FPGA 架構的專用路徑和緩沖。

　　• 全方位定制設計。Xilinx 很早就確定，要實現(xiàn)高性能和低功耗，一個按照最新工藝尺寸度身打造的全方位定制設計是必不可少的。Xilinx 設計團隊與 Arithmetica 通力協(xié)作，將乘法器和加法器電路 MathIP 庫加以集成，進一步提高了效率。

　　以這種設計為依托，DSP48E Slice 的實施在性能和低功耗效率方面達到了前所未有的水平。Virtex-5 器件中的 DSP48E Slice 分別以高速 550 MHz、中速 500 MHz 和低速 450 MHz 運行。無論您單獨使用一個 DSP48E Slice 還是將所有 640 個 DSP48E Slice 匯集到最大的 Virtex-5 SXT 器件中，都可以達到這一性能（使用專用的級聯(lián)邏輯實現(xiàn)每秒 3520 億次乘法累積運算）。而且，實現(xiàn)這一令人嘆為觀止的性能，僅僅使用了 DSP48E Slice，完全沒有消耗邏輯或 FPGA 路徑資源。
這種專用的級聯(lián)邏輯意味著能耗的計算是基于每一個 DSP48E Slice 的，也即其運行速度和輸入的翻轉(zhuǎn)率。單個 DSP48E Slice 的實測典型功耗為 1.38 mW/100 MHz。不難算出，假定 Virtex-5 SX95T 器件中所有 640 個 Slice 均以 550 MHz 運行，而翻轉(zhuǎn)率為通常的 38%，則所有 DSP48E Slice 的總體動態(tài)功耗為 4.92W。

低功耗、高性能設計技術

為了充分利用獨特的 Virtex-5 SXT 架構進行數(shù)字信號處理，建議遵循如下的簡易指南：

　　• 實施能最大化使用 DSP48E Slice 的濾波器算法。每一個 25 x 18 位的 DSP48E Slice 都等同于 500 個以上可編程邏輯 Slice，功耗為同等邏輯實施的 1/10，單獨或鏈接運行速度高達 550 MHz。

　　• 利用 DSP48E Slice 的所有功能。每一個 DSP48E Slice 都可配置成獨立的 25 x 18 乘法器，一個 25 x 18 位乘法器兼加法器/減法器/累加器，或者一個 48 x 48 位加法器或減法器。每一個 DSP48E Slice 都支持 SIMD 運行以及對稱或收斂圓整。

　　• 實施定點或浮點運算。DSP48E Slice 不僅對于定點 FIR、FFT 或復雜的過濾器運算而言是理想的產(chǎn)品，25 x 18 的輸入大小和級聯(lián)路徑還使我們可以使用兩個 DSP48E Slice 來實現(xiàn)高效的 24 x 24 無符號浮點運算。

在數(shù)字信號應用中使用 DSP48E Slice

　　Virtex-5 SXT 平臺中 DSP48E Slice、Block RAM、邏輯和數(shù)千兆位級收發(fā)器的獨特結合，為 DSP 過濾器的應用提供了高成本效益、高性能、低功耗的解決方案。為了說明這一點，讓我們看看 Virtex-4 SX 和 Virtex-5 SXT 器件平臺中無線卡的應用，對比一下兩種情況下的功耗差別。 

　　WiMAX 數(shù)字前端 (DFE) 集成了以下內(nèi)容：數(shù)字上變頻 (DUC) /數(shù)字下變頻 (DDC)、振幅因數(shù)縮小 (CFR) 和自動增益控制 (AGC)。本設計中要求的過濾功能正好與一個 Virtex-4 SX25 FPGA 或一個 Virtex-5 SX35T FPGA 所能提供的 DSP48E Slice 相匹配。本設計運行頻率為 276 MHz，消耗 Virtex-4 SX25 FPGA 中 73% 的 DSP48 資源（128 個中的 95 個），或者 Virtex-5 SX35T FPGA 中 48% 的 DSP48E 資源（196 個中的 95 個）。

　　盡管單看 WiMAX DFE 方案的表現(xiàn)和用于其實施的資源已令人驚嘆，真正堪稱一絕的還是其功耗效率。本設計主要使用 DSP48 或者 DSP48E Slice，但也消耗 Block RAM 和邏輯。表 1 對這些方案進行了對比，并展示由 Virtex-4 到 Virtex-5 器件的實測功耗和降低水平。

結論

　　對數(shù)字信號處理的要求在不斷提高，提供可擴展高性能 DSP 的呼聲日益響亮，因此，在每秒幾百 GMAC 甚至更高的水平上管理功耗的難題也愈見急迫。Xilinx Virtex-5 SXT FPGA 平臺提供了獨特的單芯片解決方案，充分利用大規(guī)模并行計算達到超高性能，同時將功耗降到最低。欲了解 Xilinx DSP 解決方案詳情，請訪問 www.xilinx.com/cn/dsp。

　
圖 1 – Virtex-5 FPGA 中 DSP48E Slice 的結構圖

設計 Virtex-4 功耗 (W) Virtex-5 功耗 (W) 降低百分比
   
   
總計 DFE   
表 1 – 真實應用情況下的實測功耗