在数字电路方案设计中DSP与FPGA的比较与选择

(4)图象处理器。对于图象的处理过程多是简单的和重复的,这样很适合用FPGA实现。然而,一个成像处理流程往往用于在所观测的目标识别“斑点”或“感兴趣的区域”。这些“斑点”可能大小不一样,造成后端的判断及处理过程趋于复杂。同时,所用的算法往往是自适应的,取决于斑点是什么样的。所以用DSP构成图象处理管道的后端处理部分是合适的。

总之,DSP和FPGA代表着两种数字系统的信号处理的过程,各有所长和不足之处。对于许多高速采样频率的应用,特别是任务比较固定或重复的情况下,适合采用FPGA方案;同样,对于较低的取样速率和有很高复杂度的软件问题的情况适合采用DSP方案。

4 新的设计思想

4.1 DSP+FPGA结构

DSP+FPGA结构最大的特点是结构灵活,有较强的通用性,适于模块化设计,从而能够提高算法效率;同时其开发周期较短,系统易于维护和扩展。

例如,一个由DSP+FPGA 结构实现的实时信号处理系统中,低层的信号预处理算法处理的数据量大,对处理速度的要求高,但运算结构相对比较简单,适于用FPGA进行硬件实现,这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少,但算法的控制结构复杂,适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。

FPGA可以完成模块级的任务,起到DSP的协处理器的作用。它的可编程性使它既具有专用集成电路的速度,又具有很高的灵活性。

DSP具有软件的灵活性;而FPGA具有硬件的高速性,从器件上考察,能够满足处理复杂算法的要求。这样DSP+FPGA的结构为设计中如何处理软硬件的关系提供了一个较好的解决方案。同时,该系统具有灵活的处理结构,对不同结构的算法都有较强的适应能力,尤其适合实时信号处理任务。

4.2 嵌入DSP模块的FPGA

应用将一些能实现基本数字信号处理功能的DSP模块嵌入的FPGA芯片是数字电路设计的另一个大趋势。

有些公司已经或计划把基于ASIC的微处理器或DSP芯核与可编程逻辑阵列集成组合在一块芯片上。FPGA提供的DSP性能已超过1280亿MAC每秒,大大高于目前主流供应商所能提供的传统DSP的性能。

其中,Xilinx作为世界可编程逻辑器件的领导厂商,拥有先进的FPGA技术以及先进的开发工具。2000年11月,推出Xilinx XtremeDSP行动,试图进入这一市场。Virtex-II可以提供6千亿MAC(乘法累加运算)每秒的性能。采用这种并行结构,256阶FIR滤波器中的每个样本可以在一个时钟周期内处理完,因此极大地改善了DSP的性能和效率。

Xilinx XtremeDSP行动的目标是希望满足宽带革命的高性能挑战。其它特性还包括根据如芯片面积(相应于使用的资源)和系统频率来优化DSP设计。XtremeDSP行动还推出了一些开发工具以弥补传统上在DSP和FPGA设计方法间存在的差距。

新的Virtex-II系列的增强结构使其在实现需要计算的算法时具有独特的优势。Xilinx提供的测试数据表明,Xilinx FPGA比业界最快的DSP运行要快100倍。因此,单个FPGA即可代替传统上所谓的DSP处理器阵列。

目前世界上的许多手机基站产品采用了Xilinx公司Virtex-E FPGA。为了建立大量的连接,手机基站需要处理大量的数据,其中大部分是采用某种DSP实现的。

性能比较突出的还有QuickLogic公司推出的QuickDSP系列,它提供了嵌入式的DSP构件块和可编程的逻辑灵活性。这个新的系列除了提供以前的可编程的逻辑和存储模块外,还包括专用的乘加模块。这些合成的模块可以实现DSP功能。支持DSP功能的软件可以由公司获得,除了QuickWorks开发软件外,DSP 向导包让使用者产生优化的功能,如定点或浮点算术逻辑,FIR和IIR(Infinite Impulse Response无限冲激响应)滤波器等,只要鼠标点击几下即可。

可以预测,在不久的将来,单一的DSP或FPGA实现的数字系统会被DSP+FPGA的结构或嵌入DSP模块的FPGA设计结构所取代。