在當(dāng)今要求最苛刻的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中，賽靈思的FPGA產(chǎn)品扮演著越來(lái)越重要的角色，這一點(diǎn)并非偶然。經(jīng)過(guò)二十多年的研究和工程開(kāi)發(fā)，以及與數(shù)百家DSP客戶的密切合作，賽靈思的FPGA產(chǎn)品已經(jīng)演化為高價(jià)值的DSP解決方案平臺(tái)，在性能、靈活性、上市時(shí)間以及產(chǎn)品壽命方面都提升到了極高的水平，同時(shí)還大大降低了總體系統(tǒng)成本和功耗。

眾所周知，F(xiàn)PGA能夠利用高度并行結(jié)構(gòu)在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成復(fù)雜算法。目前的FPGA在單個(gè)器件內(nèi)能夠提供每秒數(shù)百上千(MSPS)和每秒數(shù)十億乘法累加操作(GMACS)的性能。擁有如此高的DSP性能水平，設(shè)計(jì)人員可以選擇降低FPGA的時(shí)鐘速率來(lái)節(jié)省功耗，也可以選擇實(shí)現(xiàn)更多通道來(lái)降低系統(tǒng)成本并降低材料清單成本(BOM)。

盡管如此，F(xiàn)PGA解決方案不僅具有如此大的成本/性能優(yōu)勢(shì)，而且在靈活性、上市時(shí)間以及產(chǎn)品壽命方面的價(jià)值同樣非常誘人。對(duì)那些對(duì)高性能DSP技術(shù)有高需求且發(fā)展迅速的市場(chǎng)，包括通信、多媒體、視頻與圖像(MVI)以及國(guó)防行業(yè)等，都處于快速變化之中。不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)需求和客戶要求，瞬息萬(wàn)變的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)為能夠通過(guò)創(chuàng)新和靈活性跟上變化步伐的企業(yè)帶來(lái)了巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)。對(duì)于越來(lái)越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和DSP設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA成為首選的平臺(tái)。

賽靈思XtremeDSP計(jì)劃2000年11月，賽靈思公司啟動(dòng)了XtremeDSP™計(jì)劃，旨在為滿足通信、多媒體、視頻與圖像以及國(guó)防行業(yè)對(duì)高性能DSP的需求提供不斷演化的、針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的DSP解決方案產(chǎn)品線。其首要任務(wù)包括：

· 不斷擴(kuò)展為DSP設(shè)計(jì)提供的高性能器件產(chǎn)品線

· 提供開(kāi)發(fā)板和開(kāi)發(fā)套件、參考設(shè)計(jì)和IP

· 推出用于不同DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具

· 提供補(bǔ)充的可編程邏輯、連接功能和嵌入式處理功能

· 與業(yè)界和大學(xué)建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，提供培訓(xùn)和支持

極高的性能和靈活性

性能、系統(tǒng)級(jí)成本和功效、更快的上市時(shí)間和靈活性是基于FPGA進(jìn)行DSP設(shè)計(jì)的標(biāo)志。所有這些價(jià)值優(yōu)勢(shì)都是通信等行業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)廠商所迫切需要的。

全球?qū)τ诟哔|(zhì)量、更大帶寬和更低成本的有線和無(wú)線話音、計(jì)算機(jī)和視頻數(shù)據(jù)通信的需求空前高漲。受此推動(dòng)，新通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量和復(fù)雜性都在以指數(shù)級(jí)的速度增加。這很大原因是需要在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和下一代網(wǎng)絡(luò)中的眾多通信層之間實(shí)現(xiàn)互操作性和數(shù)據(jù)交換。而且，通過(guò)無(wú)線方式提供新服務(wù)的需求不斷增加，這也是推動(dòng)當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展熱潮的重要原因。對(duì)于系統(tǒng)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，跟上這些標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)并且滿足極為關(guān)鍵的性能-價(jià)格-功耗比要求并不是一件容易的事。

對(duì)于高性能DSP解決方案所服務(wù)的動(dòng)態(tài)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA的靈活性意味著：

· 更高層次的集成以降低系統(tǒng)成本

· 領(lǐng)先的算法解決方案和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施支持更快速的上市時(shí)間，從而可大大提高市場(chǎng)份額

· 遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)易操作，適應(yīng)無(wú)法預(yù)測(cè)的環(huán)境和功能變化(從而降低運(yùn)營(yíng)成本)

· 延長(zhǎng)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的生命周期(從而降低資本支出)

· 創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和移植的完美平臺(tái)，從而可跟上不斷變化的客戶需求和市場(chǎng)要求。

XtremeDSP器件產(chǎn)品線

XtremeDSP產(chǎn)品線包括 Virtex™-DSP 和 Spartan-DSP系列產(chǎn)品，為滿足廣泛的應(yīng)用需求提供了豐富的價(jià)格、性能、功效、帶寬和IO組合。Virtex-5 SXT和Spartan-3A DSP產(chǎn)品是最近增加的新成員。

 

 

圖 1.XtremeDSP器件產(chǎn)品線

Virtex-5 SXT –最高的性能和連接功能

Virtex-5 SXT平臺(tái)進(jìn)一步拓展了賽靈思公司的XtremeDSP™產(chǎn)品線，其中的三款新器件可滿足下一代無(wú)線、國(guó)防以及多媒體、視頻和圖像等應(yīng)用對(duì)超高DSP帶寬和更低系統(tǒng)成本的要求。SXT是四個(gè)65nm Virtex-5 FPGA平臺(tái)中的第三個(gè)。隨著SXT平臺(tái)的推出，現(xiàn)在賽靈思FPGA可在550MHz時(shí)鐘下提供超過(guò)350 GMACS的DSP性能，同時(shí)與先前的90nm一代產(chǎn)品相比，動(dòng)態(tài)功耗降低35%。Virtex-5 SXT平臺(tái)還是業(yè)界第一個(gè)通過(guò)低功耗收發(fā)器(達(dá)3.2 Gbps)提供串行連接功能的DSP優(yōu)化的FPGA系列產(chǎn)品。

除了利用65nm ExpressFabric™技術(shù)提升邏輯性能以外，所有Virtex-5 FPGA都集成了用戶可配置的DSP48E邏輯片。DSP48E邏輯片是乘法累加(MAC)功能模塊的新發(fā)展。這些DSP引擎可在高達(dá)550 MHz的頻率下執(zhí)行MAC操作。FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)高度并行的架構(gòu)，從而使DSP性能比分立DSP處理器提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并且每個(gè)通道的成本和功耗達(dá)到了最低。

Virtex-5 SXT器件的邏輯密度范圍為35,000至95,000邏輯單元，同時(shí)專用DSP48E邏輯片的數(shù)量為192至640。集成多達(dá)11.6 Mbit嵌入式BlockRAM 和分布式RAM，這些器件提供了最高的存儲(chǔ)器邏輯資源比，可以高效地實(shí)現(xiàn)視頻處理和醫(yī)療圖像市場(chǎng)中DSP應(yīng)用所需要的存儲(chǔ)器密集功能。

Virtex-5 SXT平臺(tái)還集成了低功耗RocketIO™ GTP收發(fā)器 (典型規(guī)格為<100mW @ 3.2 Gbps)以及在Virtex-5 LXT平臺(tái)首次內(nèi)建的PCI Express®端點(diǎn)和以太網(wǎng)MAC模塊。兩個(gè)平臺(tái)均支持所有主要的串行I/O 協(xié)議 (PCIe™、CPRI、OBSAI、SRIO、GbE和XAUI)，能夠?yàn)樾酒c芯片、板與板以及機(jī)箱與機(jī)箱之間的高速大帶寬連接提供功耗最低的解決方案。

Spartan-3A DSP 平臺(tái) –突破性的性價(jià)比

在為特定應(yīng)用尋求最佳DSP解決方案的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通常要在價(jià)格、性能和功耗之間進(jìn)行大量的折衷，通常需要犧牲一項(xiàng)或多項(xiàng)性能來(lái)滿足另外一些方面的要求。Spartan-3A DSP平臺(tái)是賽靈思XtremeDSP產(chǎn)品線中的另一個(gè)新成員，同時(shí)也是第一個(gè)針對(duì)DSP優(yōu)化的Spartan FPGA系列產(chǎn)品。Spartan-3A DSP將這三項(xiàng)關(guān)鍵的性能完美地結(jié)合起來(lái)，為大量應(yīng)用提供了最佳組合。

信號(hào)處理容量

Spartan-3A DSP平臺(tái)量產(chǎn)時(shí)的單價(jià)低于30美元 ，在小尺寸封裝中可提供30 GMACS以上的DSP性能和高達(dá)2,200 Gbps的存儲(chǔ)器帶寬。這代表著前所未有的性能/價(jià)格突破，滿足了大量對(duì)價(jià)格和功耗都很敏感的應(yīng)用的要求。這些應(yīng)用包括單通道微蜂窩無(wú)線基站中的數(shù)字頭端(DFE)和基帶解決方案、軍用移動(dòng)軟件定義無(wú)線電(SDR)、超聲系統(tǒng)、輔助駕駛/多媒體系統(tǒng)、高分辨率(HD)視頻以及智能IP相機(jī)等。[!--empirenews.page--]

而且，擁有多達(dá)53,712邏輯單元、2,268 Kb BlockRAM、373 Kb分布式RAM、519個(gè)I/O引腳以及DeviceDNA安全技術(shù)和新的休眠/待機(jī)電源管理功能，Spartan-3A DSP器件提供了足夠的信號(hào)處理容量，可以將價(jià)格/性能/功耗比降到更低水平。此外，基于FPGA的DSP解決方案所提供的設(shè)計(jì)靈活性以及快速上市時(shí)間進(jìn)一步降低了風(fēng)險(xiǎn)，因此Spartan-DSP系列的價(jià)值變得越來(lái)越明顯(參見(jiàn)表1)。

 

 

表1：Spartan-DSP平臺(tái)填補(bǔ)了XtremeDSP產(chǎn)品線中的1-30 GMACS性能范圍。

注意：1)在低速度級(jí)器件中。2)在高速度級(jí)器件中

將DSP性能提升到極限

過(guò)去二十年里算法復(fù)雜性的快速提升是推動(dòng)FPGA在DSP應(yīng)用中使用的最重要市場(chǎng)動(dòng)力。 固定架構(gòu)的處理器如DSP和通用處理器(GPP)面臨的問(wèn)題是，固有的架構(gòu)無(wú)效性使它們的性能限制在摩爾定律規(guī)定的理論限定值以下 .

此外，由于通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸效率不斷推向香家定理(Shannon’s Law ) (參見(jiàn)圖2)所限制的上限，里德-所羅門(mén)(Reed-Solomon)編碼以及最近的Turbo碼等高級(jí)技術(shù)也越來(lái)越靠近其理論極限，當(dāng)然代價(jià)就是更高的計(jì)算復(fù)雜性。這就導(dǎo)致了算法性能要求和處理器性能之間的差距越來(lái)越大。因此，設(shè)計(jì)人員必須尋找新的設(shè)計(jì)解決方案(不局限于傳統(tǒng)DSP范圍)，在固定結(jié)構(gòu)處理器之外選擇FPGA。

 

 

圖 2.賽靈思FPGA填補(bǔ)算法復(fù)雜性和固定架構(gòu)處理器無(wú)效性造成的性能差距

由于FPGA并行處理機(jī)制可提供極高性能的信號(hào)處理能力，因此非常適于來(lái)填補(bǔ)這一性能差距。FPGA靈活的架構(gòu)使得可以方便地在相似系列器件之間進(jìn)行設(shè)計(jì)移植，因此可以將標(biāo)準(zhǔn)甚至環(huán)境條件變化帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

DSP48E邏輯片

在XtremeDSP產(chǎn)品線所有器件中最有價(jià)值的資源之一就是DSP48邏輯片，它不僅幫助提升DSP設(shè)計(jì)的總性能，同時(shí)還可以提高實(shí)現(xiàn)所需要性能的設(shè)計(jì)和資源效率。DSP48是面向應(yīng)用的組合模塊(ASMBL™)，可增強(qiáng)Virtex-DSP 和 Spartan-DSP器件中的DSP功能。這些DSP49邏輯片可幫助DSP設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出滿足復(fù)雜挑戰(zhàn)的解決方案，例如：成百上千的中頻-基帶下轉(zhuǎn)換信道、3G擴(kuò)頻系統(tǒng)中的128X片碼速處理、高分辨率H.264和MPEG-4編碼/解碼算法。

一個(gè)DSP48基本片(也稱為 XtremeDSP基本片)包含兩個(gè)DSP48邏輯片，構(gòu)成通用粗粒度DSP架構(gòu)的基礎(chǔ)。DSP48邏輯片支持多種獨(dú)立功能，包括乘法器、乘法-累加器(MACC)、加法乘法器、三端輸入加法器、桶狀移位寄存器、寬總線多路復(fù)用器、幅度比較器或?qū)捿斎爰臃ㄆ?。不需要使用通用可編程邏輯?gòu)造資源，這一架構(gòu)就可支持將多個(gè)DSP48 邏輯片連接起來(lái)完成更寬輸入的數(shù)字功能、DSP濾波器和復(fù)雜算法。這可以帶來(lái)更低的功耗、極高的性能和更高的芯片資源使用效率。

DSP邏輯片帶來(lái)的另一項(xiàng)重要優(yōu)點(diǎn)是可以從一個(gè)平臺(tái)系列移植到另一個(gè)平臺(tái)系列，例如，從Virtex-4 SX或Virtex-5 SXT 器件移植到Spartan-3A DSP器件。由于DSP48是Virtex-DSP和Spartan-DSP系列的基本DSP構(gòu)造模塊，因此從一個(gè)系列移植到另一個(gè)系列器件是很直接的過(guò)程，設(shè)計(jì)需要做的更改很小。

XtremeDSP設(shè)計(jì)工具

通過(guò)XtremeDSP計(jì)劃，賽靈思及其第三方合作伙伴構(gòu)成的業(yè)界生態(tài)系統(tǒng)達(dá)成了這樣的共識(shí)，即將DSP的所有潛力和靈活性盡可能方便地提供給三類不同的設(shè)計(jì)人群：系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、DSP工程師和FPGA/硬件工程師。每一類設(shè)計(jì)人員承擔(dān)的職責(zé)不同(還有偏好)，從而造成了他們對(duì)特定設(shè)計(jì)環(huán)境的要求不同。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須快速確定如何在可用的處理資源之間最好地劃分不同的系統(tǒng)級(jí)功能。他們關(guān)注的重點(diǎn)是選擇滿足產(chǎn)品性能和吞吐能力要求的處理資源，同時(shí)滿足尺寸、成本和功耗方面的預(yù)算。

 

 

圖 3.XtremeDSP設(shè)計(jì)工具滿足所有三類設(shè)計(jì)用戶群體的設(shè)計(jì)環(huán)境要求(喜好)-系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、DSP工程師和FPGA/硬件工程師

DSP工程師更關(guān)注DSP算法的創(chuàng)建和改進(jìn)。他們通常不熟悉硬件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，要依賴工具將細(xì)節(jié)抽象掉，這樣他們才能夠更專注于更高層的設(shè)計(jì)探索和驗(yàn)證。

硬件工程師通常采用VHDL 或 Verilog來(lái)從設(shè)計(jì)中獲得最高的性能。他們通過(guò)需要在同一設(shè)計(jì)環(huán)境中與更高層功能模塊以及自己的寄存器傳輸級(jí)(RTL)設(shè)計(jì)協(xié)同工作的能力，并且可以運(yùn)行測(cè)試基準(zhǔn)進(jìn)行功能和性能驗(yàn)證。

因此XtremeDSP計(jì)劃是否能夠取得成功的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志就是在于設(shè)計(jì)工具滿足所有三類設(shè)計(jì)群體的程度。XtremeDSP工具，如SystemGenerator for DSP 和 AccelDSP™ 綜合軟件提供了系統(tǒng)建模、算法開(kāi)發(fā)和探索、自動(dòng)生成測(cè)試基準(zhǔn)向量、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和調(diào)試以及HDL生成和仿真等功能。無(wú)論某個(gè)設(shè)計(jì)師是喜歡使用VHDL、Verilog、C/C++、MATLAB、Simulink和HDL，還是這些工具的任何組合，賽靈思的XtremeDSP工具都可以幫助他/她快速高效地充分發(fā)揮FPGA的所有潛力(參見(jiàn)圖3)。

結(jié)論

FPGA填補(bǔ)了高性能應(yīng)用對(duì)高性能DSP的需求與傳統(tǒng)DSP處理器能夠提供的性能之間巨大且不斷增加的差距。有許多原因促使設(shè)計(jì)人員采用基于FPGA的DSP解決方案，其中四條最基本的原因歸納如下：

1. 處理極高的計(jì)算工作量 - FPGA支持工程師設(shè)計(jì)高度并行的架構(gòu)，因此可支持與時(shí)鐘頻率相同的采樣速率。系統(tǒng)因此可以保持高達(dá)500MSPS的高性能水平 – 適于構(gòu)建超高速單通道系統(tǒng)或慢速率數(shù)百通道系統(tǒng)。

2. 從DSP處理器分流計(jì)算密集的任務(wù)，將寶貴的執(zhí)行周期讓給其它功能。

3. 定制適用于特定算法的架構(gòu) - FPGA提供的一系列MAC或乘法器可用于實(shí)現(xiàn)單抽頭或多抽頭的算法架構(gòu)。FPGA的可重配置特點(diǎn)意味著工程師可以快速構(gòu)建和修改設(shè)計(jì)架構(gòu)。

4. 降低系統(tǒng)成本和功耗 - FPGA支持集成其它組件(如Serial RapidIO 收發(fā)器、PCI Express接口、膠合邏輯以及低速率控制任務(wù))，因此可以降低總體系統(tǒng)成本和功耗。此外，與傳統(tǒng)DSP器件相比，并行機(jī)制提供了一個(gè)至幾個(gè)數(shù)量級(jí)的性能優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)于同樣的性能，可以在更低的頻率下工作。更低的頻率可降低MOPS/mW(功效的最關(guān)鍵指標(biāo))。正如加州伯克利大學(xué)電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系Bob Brodersen教授所證明的，與當(dāng)今的基準(zhǔn)微處理器相比，FPGA的功率效率可高達(dá)其1000倍。(參看Bob Broderson的演示幻燈片)[!--empirenews.page--]

自啟動(dòng)以來(lái)，賽靈思 XtremeDSP計(jì)劃已經(jīng)推出了一系列針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的DSP解決方案，這些解決方案結(jié)合了專用硬件平臺(tái)、設(shè)計(jì)工具、參考設(shè)計(jì)、系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用知識(shí)、軟件算法以及IP庫(kù)。這些XtremeDSP解決方案提供如此強(qiáng)大的設(shè)計(jì)平臺(tái)和環(huán)境，可為通信、多媒體、視頻和圖像以及國(guó)防應(yīng)用提供性能接近極限的DSP設(shè)計(jì)。