最佳FPGA和专用DSP

视频和静止图像的普遍采用，以及可配置系统（如软件无线电）日益增长的需求继续驱动DSP应用的扩展。很多应用需要经济有效的DSP处理。
虽然定制实现DSP功能，但在很多应用中几种功能，如FIR（有限脉冲响应）滤波器，IIR（无限脉冲响应）滤波器、FFT（快速傅里叶）和混频器是共同的。所有这些功能都需要与加、减、累加一起的乘法单元组合。
FIR滤波器（图1）存储n数据单元系列，每个数据单元延迟一个附加周期。通常，这些数据单元称之为分支。每个分支与系数相乘，其结果求和产生输出。某些方法并行执行所有的乘法。更一般的方法是分为N级，用累加器从一级到下一级传递结果。这些实现方法用功能资源换取速度，取N个计算级并需要n/N个乘法器。根据系数是静态还是动态以及系数值设计，有不少其他通用的设计最佳化方法。

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图1   典型FIR滤波器的实现

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图2   实现FFT的Radix-2蝶形方法

实现方法
从图像压缩到确定数据取样的频谱成分，在不同的应用中都用FFT。实现FFT有多种方法。最通用的方法是通用Cooley-Tukey时间抽取，把FFT分解成若干更小的FFT。最简单的实现方法是用Radix-2蝶形单元（图2），其输入数据必须传递倍数。这种计算概念上是简单的；然而，图左边所有的乘和加是用复数计算的，所需要的乘和加的实数是更复杂的问题（如图右边所示）。
IIR滤滤器除引入反馈通路外，它类似于FIR滤波器。这些反馈通路使IIR滤波器的设计和分析比FIR更复杂。然而，对于相同硅面积，IIR方法可提供更强的滤波器。尽管有几种IIR结构，但是，一种通用的结构是用2阶四次方结构（图3）
很多应用是用混频器来变换信号频率。概念上，可用单个乘法器，而在数字应用中，用复数形式表示不少优点。最一般的形式是信号表示是为I和Q分量。

DSP选择
做为这些通用功能应用，大多数DSP应用的核心是乘、加、减或累加。通用DSP芯片与通用微处理器结合能有效地实现这些功能。乘法器数量通常1~4个，而微处理器通过乘和其他功能定序通过的数据，存储中间结果在存储器或累加器。主要靠提高乘法所用的时钟速度来提高性能。典型时钟速度为几十MHz~1GHz。性能用每秒MMAC（百万乘累加）度量，典型值10~4000。
需要较佳功能必须并联组合多个DSP引擎。这种方法的主要优点是直接实现用高级编程语言（如C语言）编写的算法。
DSP定向的FPGA能在一个芯片上并行实现很多功能。通用发送、逻辑和存储器资源互连功能、执行加法功能、定序和存储数据。某些基本器件仅提供乘法支持，需要用户建造其他逻辑功能。更复杂的器件提供加、减和累加功能做为DSP构建单元的一部分。FPGA通常带有几十乘法器单元，可工作在几百MHz的时钟频率。

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图3   IIR2阶四次方滤波器

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图4   ECP-DSP框图

DSP FPGA选择
Altera公司的Cyclone FPGA不包含DSP定向的元件，这使得实现大的DSP功能而不消耗大量的外部资源变得困难。然而，CycloneII包含乘法器功能，Xilinx公司的SpartanIII FPA家族具有基本的乘法器功能。没有DSP功能时，必须消耗大量的FPGA资源来实现一般设计中的加、减、累加和流水线寄存器。
Lattice公司专为DSP应用设计了ECP-DSP器件（图4）。它含有与4和10个集成sysDSP单元连接的低成本FPEA结构。sysDSP单元以3个数据通路宽度（9，18和36）支持4个功能单元。用户为DSP单元选择一个功能单元，然后选择其操作数的宽度和类型（符号/无符号）。sysDSP单元中的操作数可以带符号或无符号，但在功能单元中不能混合。
同样，在一个单元中操作数宽度不能混合。每个sysDSPK中的资源可配置来支持MULT（乘）、MAC（乘累加）、MULTADD（乘加/减）和MULTADDSUM（乘加/减和）元件。
每个单元中可用的元件数取决于所选择的数据通路宽度。把若干个元件连接起来可并联实现DSP功能。
sysDSP单元在输入，中间和输出级具有内置任选流水线寄存器。如需要，输入也可能并行输入或跨过阵列移位。也为带符号和不带符号运算和加减之间动态转换提供选择。在sysDSP单元中可得到流水线寄存器、和、减和累加。在一般的功能中，一般需要用加、和或累加组合乘法。概念简单的流水线寄存器在宽数据通路中实现要消耗大量的资源。用sysDSP单元实现这些功能可使通用FPGA资源消耗较低、性能较高，允许采用较低速度等级的更小器件。■（益林）