在数字电路方案设计中DSP与FPGA的比较与选择

数字信号处理技术和大规模集成电路技术的迅猛发展,为我们设计数字电路提供了新思路和新方法。当前数字系统设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。DSP和FPGA技术的发展使这一趋势成为可能和必然。

和计算机一样,数字信号处理的理论从60年代崛起以来,到80年代DSP产生,它飞速发展改变了信号处理的面貌。今天DSP已广泛应用在语音、图像、通讯、雷达、电子对抗、仪器仪表等各个领域。DSP起了十分关键的作用,成为数字电路设计的主要方法。

二十世纪80年代以来,一类先进的门阵列——FPGA的出现,产生了另一种数字电路设计方法,具有十分良好的应用前景。基于FPGA的数字电路设计方式在可靠性、体积、成本上的优势是巨大的。

除了上述两种方案,还有DSP+FPGA方案,以及选择内部嵌入DSP模块的FPGA实现系统的方案。

1 DSP和FPGA的结构特点

1.1 DSP的结构特点

DSP是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP 指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下的一些主要特点:

(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;

(2)程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器,每个存储器独立编址,可以同时访问指令和数据;

(3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;

(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;

(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;

(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;

(7)可以并行执行多个操作;

(8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

1.2 FPGA的结构特点

FPGA的结构是由基于半定制门阵列的设计思想而得到的。从本质上讲,FPGA是一种比半定制还方便的ASIC(Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路)设计技术。

FPGA的结构主要分为三部分:可编程逻辑块、可编程I/O模块、可编程内部连线。可编程逻辑块和可编程互连资源的构造主要有两种类型:即查找表类型和多路开关型。

查找表型FPGA的可编程逻辑单元是由功能为查找表的SRAM(Static Random Access Memory 静态随机存取存储器)构成函数发生器,由它来控制执行FPGA应用函数的逻辑。SRAM的输出为逻辑函数的值,由此输出状态控制传输门或多路开关信号的通断,实现与其它功能块的可编程连接。多路开关型可编程逻辑块的基本构成是一个多路开关的配置。利用多路开关的特性,在多路开关的每个输入接到固定电平或输入信号时,可实现不同的逻辑功能。大量的多路开关和逻辑门连接起来,可以构成实现大量函数的逻辑块。

FPGA由其配置机制的不同分为两类:可再配置型和一次性编程型。近几年来,FPGA因其具有集成度高、处理速度快以及执行效率高等优点,在数字系统的设计中得到了广泛应用。

2 DSP与FPGA性能比较

DSP内部结构使它所具有的优势为:所有指令的执行时间都是单周期,指令采用流水线,内部的数据、地址、指令及DMA(Direct Memory Access直接存储器存取)总线分开,有较多的寄存器。

与通用微处理器相比,DSP芯片的通用功能相对较弱些。DSP是专门的微处理器,适用于条件进程,特别是较复杂的多算法任务。在运算上它受制于时钟速率,而且每个时钟周期所做的有用操作的数目也受限制。例如TMS320C6201只有两个乘法器和一个200 MHz 的时钟,这样只能在每秒完成400M的乘法。

将模拟算法、具体指标要求映射到通用DSP中,比较典型的DSP通过汇编或高级语言如C语言进行编程,实时实现方案。如果DSP采用标准C程序,这种C代码可以实现高层的分支逻辑和判断。例如通信系统的协议堆栈,这是很难在FPGA上实现的。从效果来说,采用DSP器件的优势在于:软件更新速度快,极大地提高了系统的可靠性、通用性、可更换性和灵活性,但DSP的不足是受到串行指令流的限制。

FPGA有很多自由的门,通过将这些门连接起来形成乘法器、寄存器、地址发生器等等。这些只要在框图级完成,许多块可以从简单的门到FIR(Finite Impulse Response 有限冲激响应)或FFT(Fast Fourier Transform 快速傅里叶变换)在很高的级别完成。但它的性能受到它所有的门数及时钟速度的限制。例如,一个具有20万门的Virtex 器件可以实现200MHz时钟的10个16位的乘法器。

FPGA包含有大量实现组合逻辑的资源,可以完成较大规模的组合逻辑电路设计;与此同时,它还包含有相当数量的触发器,借助这些触发器,FPGA又能完成复杂的时序逻辑功能。通过使用各种EDA (Electronic Design Automatic 电子设计自动化)工具,设计人员可以很方便地将复杂的电路在FPGA中实现。象微处理器一样,许多FPGA可以无限的重新编程,加载一个新的设计方案只需要几百毫秒。甚至现场产品可以很简单而且快速的实现。这样,利用重配置可以减少硬件的开销。

超过几MHz的取样率,一个DSP仅仅能完成对数据非常简单的运算。而这样简单的运算用FPGA将很容易实现,并且能达到非常高的取样速率。在比较低的取样速率时,整体上很复杂的程序可以使用DSP,这对于FPGA来讲是很困难的。

对于较低速的事件,DSP是有优势的。可以将它们排队,并保证它们都能执行,但是在它们处理前可能会有些时延。而FPGA不能处理多事件,因为每个事件都有专用的硬件,但是采用这种专用硬件实现的每个事件的方式可以使各个事件同时执行。

如果需要主工作环境进行切换,DSP可以通过在程序里分出一个新的子程序的方式来完成,而对于每种配置FPGA需要建立专门的资源。如果这些配置是比较小的,那么在FPGA中可以同时存在几种配置;如果配置较大则意味着FPGA需要重新配置,而这种方法只在某些时候可以采用。

最后,FPGA是以框图方式编程的,这样很容易看数据流。DSP是按照指令的顺序流来编程的。大多数的单处理系统都是以某种框图方式开始设计的。实际上,系统设计者大多认为将框图移植给FPGA比将其转化为DSP的C代码更容易。