在數字電路設計方案中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的,這樣很適合用FPGA實現。然而,一個成像處理流程往往用于在所觀測的目標識別“斑點”或“感興趣的區域”。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雜。同時,所用的算法往往是自適應的,取決于斑點是什么樣的。所以用DSP構成圖象處理管道的后端處理部分是合適的。

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

4 新的設計思想

4.1 DSP+FPGA結構

DSP+FPGA結構最大的特點是結構靈活,有較強的通用性,適于模塊化設計,從而能夠提高算法效率;同時其開發周期較短,系統易于維護和擴展。

例如,一個由DSP+FPGA 結構實現的實時信號處理系統中,低層的信號預處理算法處理的數據量大,對處理速度的要求高,但運算結構相對比較簡單,適于用FPGA進行硬件實現,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據量較低層算法少,但算法的控制結構復雜,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。

FPGA可以完成模塊級的任務,起到DSP的協處理器的作用。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,能夠滿足處理復雜算法的要求。這樣DSP+FPGA的結構為設計中如何處理軟硬件的關系提供了一個較好的解決方案。同時,該系統具有靈活的處理結構,對不同結構的算法都有較強的適應能力,尤其適合實時信號處理任務。

4.2 嵌入DSP模塊的FPGA

應用將一些能實現基本數字信號處理功能的DSP模塊嵌入的FPGA芯片是數字電路設計的另一個大趨勢。

有些公司已經或計劃把基于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商所能提供的傳統DSP的性能。

其中,Xilinx作為世界可編程邏輯器件的領導廠商,擁有先進的FPGA技術以及先進的開發工具。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。采用這種并行結構,256階FIR濾波器中的每個樣本可以在一個時鐘周期內處理完,因此極大地改善了DSP的性能和效率。

Xilinx XtremeDSP行動的目標是希望滿足寬帶革命的高性能挑戰。其它特性還包括根據如芯片面積(相應于使用的資源)和系統頻率來優化DSP設計。XtremeDSP行動還推出了一些開發工具以彌補傳統上在DSP和FPGA設計方法間存在的差距。

新的Virtex-II系列的增強結構使其在實現需要計算的算法時具有獨特的優勢。Xilinx提供的測試數據表明,Xilinx FPGA比業界最快的DSP運行要快100倍。因此,單個FPGA即可代替傳統上所謂的DSP處理器陣列。

目前世界上的許多手機基站產品采用了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據,其中大部分是采用某種DSP實現的。

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DSP功能。支持DSP功能的軟件可以由公司獲得,除了QuickWorks開發軟件外,DSP 向導包讓使用者產生優化的功能,如定點或浮點算術邏輯,FIR和IIR(Infinite Impulse Response無限沖激響應)濾波器等,只要鼠標點擊幾下即可。

可以預測,在不久的將來,單一的DSP或FPGA實現的數字系統會被DSP+FPGA的結構或嵌入DSP模塊的FPGA設計結構所取代。