FPGA将成为传统DSP的有力挑战

宽带革命

    市场环境的变化将会改变未来几年内DSP实现的方式。最显著地，宽带革命将带来最大的挑战。
宽带革命是由传统上分别属于不同领域的许多技术的融合所引发。其中包括计算、电信/无线、视频、图像和网络等。图1突出了由这一融合而新产生的一些新应用。

    此类新兴应用需要处理的模拟和数字数据量呈指数型增长。这又进一步加大了对更快的DSP的需求。虽然摩尔定律仍适用于目前最快的DSP，但在所需要的性能水平与实际DSP器件所提供性能水平间的差距仍在不断增大（参看图2）。因此很明显，DSP要满足宽带革命所提出的挑战必须寻求新的数据处理方法。

    此外，今天快速变化的市场上，产品上市时间缩短。同时由于竞争产品跟上的速度更快，因此产品量产阶段更短。所以，上市时间变得更为关键，FPGA供应商很早就意识到了这一点。过去上市晚仅仅是利润少一些，今天则意味着根本没有利润，甚至某些情况下是生意彻底失败！

    这意味着DSP需要足够灵活以满足不断缩短的上市时间要求。

采用FPGA实现高性能DSP

    主流制造商，如TI、ADI和Motorola，生产的传统DSP有通用产品或特殊应用标准产品（ASSP）。通用DSP的优点是通过编程可以应用在广泛的产品中。而特殊应用产品则是针对特定的应用而开发的，如ADSL调制解调器（带DSP核心的ASSP），或针对特定客户而开发（带DSP核心的ASIC）。在性能要求较低的应用中，甚至也可利用微处理器作为DSP。

    传统通用DSP采用冯-诺依曼（Von Neumann）结构，或某种类型的扩展。此类结构本质上是串行的，因此性能受到一定的限制。传统DSP中的乘法和累加（MAC）部件通常是共享资源的。

    FIR滤波器对输入信号进行滤波，其方法是将每一输入信号数据样本与几个恒定数值（系统）相乘，然后对结果进行累加。加到输入信号上的MAC操作越多，滤波器越精确。例如，256阶FIR滤波器中对每个数据样本需要进行256次MAC操作，然后才能处理下一个样本。

    FPGA供应商在其产品中也提供了DSP功能。例如，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。

    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。Virtex-II可以提供6千亿MAC每秒的性能。为达到这样的性能，FPGA采用了多路并行结构处理输入信号（参看图3）。

    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。

PLD中嵌入DSP

    很多PLD厂商开始采取行动。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DSP行动，试图进入这一市场。

    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可弥补传统上在DSP和FPGA设计方法间存在的差距。

    Virtex-II提供的性能包括：

    ·千万门FPGA结构允许实现大量的并行处理。

    ·最多达192（18×18）个嵌入式乘法器，工作频率依字大小不同最高可达250MHz，可在最小的芯片面积上实现快速无延迟乘法操作。

    ·最多3.5M位完全双口块RAM，可优化数据缓冲和存储。

    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。

    传统上基于SRAM的FPGA具有现场容易改变和升级的灵活性，除此以外，XtremeDSP还增加了如下性能。

    两个这样的新性能即是分布式资源和分段布线（segmented routing）。

    ·分布式DSP资源——这使设计者可以根据算法和性能要求改变DSP结构，从而达到面积/成本或性能/系统频率最优的设计。

    ·分段布线（采用动态互连）——可保证与器件大小和集成到FPGA中的其它系统功能无关，始终达到最高的性能。

    Xilinx XtremeDSP计划中最令人心动的方面可能就是能够提高生产率。XtremeDSP计划缩短了FPGA DSP设计周期。将主要通过配合Simulink使用的MathWorks系统生成器和滤波器生成器来实现。

    ·Simulink系统生成器——传统上FPGA和DSP的设计流程非常不同。利用与MathWorks的伙伴关系，Xilinx开发的系统生成器填补了FPGA和传统DSP设计流程间的差距。

    ·滤波器生成器——如前面所述，数字滤波器是DSP最经常的用途。一系列DSP供应商提供了滤波器生成器以加快漫长的滤波器设计过程。然而，目前市面的FPGA滤波器生成器要么只能生成完全串行（即生成芯片面积最小但性能最低的实施方案）的滤波器或完全并行（生成性能最高但芯片面积效率最低的实施方案）的滤波器。然后，多数的DSP设计并不是需要完全串行或完全并行的实施方案，而是介于其中的混合方案。Xilinx滤波器生成器是约束条件驱动的，可以根据给定的性能级别或并行程度生成占用资源最优的实施方案。