讓DSP工程師轉行FPGA開發的兩大理由

FPGA能為今天許多需要DSP功能的復雜應用提供快速、低成本的解決方案。不過，許多DSP工程師在傳統上擅長軟件開發，當涉及到硬件時他們可能就不知道該從何下手?；旧?，有三種設計方法供DSP工程師加以考慮：采用知識產權(IP)進行設計、采用硬件描述語言(HDL)的傳統設計方法、以及使用現在的一些新工具把C語言編譯到硬件中。

出于以下幾個原因，你可能會考慮使用FPGA來實現DSP解決方案。首先是為了提高性能，盡管今天的DSP處理器很快，并對許多DSP應用來說很有用，但仍有一些應用要求性能再進一步提升，而FPGA提供了更高的性能。例如，FPGA可以生成一個定制硬件設計，從而控制邏輯能夠在硬件中實現。工程師將不必再利用精確的時鐘周期來實現控制功能。此外，通過裁減硬件架構，FPGA可以提供額外的性能。如果最重要的設計考慮因素是速度，那么可以在FPGA中設計完全并行的算法處理方案。今天，用FPGA來執行DSP功能的最常見應用之一是視頻處理。其它可從FPGA的更高性能中受益的應用包括雷達、超聲波和高速調制解調器等。

使用FPGA進行數字信號處理的另一個理由是今天的許多系統已經包含了一個FPGA，用于協議轉換、膠合邏輯或一些其它系統功能。如果那個FPGA沒有被完全利用，那么把 DSP功能加入其中可以為系統節約成本。而且如果標準發生改變，使用FPGA就不會有任何風險。FPGA的配置文件能夠像軟件那樣升級，盡管它們必須被存儲在系統的非易失性存儲器中。

當用FPGA進行設計時，如果有可能，最好堅持使用定點數系統。這有幾個原因。首先，所有嵌入在 FPGA中的邏輯(乘法器、累加器)已經被設計成定點運算單元，為FPGA用途而設計的大多數內核也是如此。其次，浮點的實現很復雜，而且需要規模相當大的硬件。在產品的開發成本或每單位成本中，浮點解決方案的費用過高，因而可能不值得我們這樣做。最后，FPGA內部的定點格式為用戶提供了足夠的靈活性，因為表示一個數字的位數可以由用戶選擇，而且用戶可以在任何需要的地方設計舍位和進位方式，從而使定點實現很實用。

當決定在定點實現中應該使用多少位數時，請記住每增加一位會使信噪比提高約6dB。

正如市面上有許多軟件，而且某些軟件比其它軟件更適合于不同的場合一樣，創建FPGA設計的方法也有許多種。第一種設計技術是使用IP核來進行設計。這是最容易的技術，因為內核已經是設計好并經過優化的。該技術通常能提供最佳的結果，因為專家在設計內核時已經針對應用和FPGA架構采用了最佳的實現方式。今天的大多數內核非常便于配置，例如，可選擇并行實現、串行實現或對稱操作。因此，我們很有可能找到可以滿足大部分需求的內核。一些工具供應商和FPGA供應商甚至提供能夠使用傳統DSP系統設計軟件(諸如Matlab之類的工具)來實現的內核，所以學習的過程并不是那么艱難。許多常見的內核對用戶是免費的，如FIR濾波器和乘法器。更為復雜的內核通常需要許可費，在多數情況下，這是一次性費用?？偠灾?，如果設計人員缺乏FPGA設計經驗且能以適當的價格發現適合其需要的內核，那么這種技術是最佳選擇。

尋找合適的內核

然而，我們并不是總能找到一個可以滿足系統特定需求的內核，或者，找到的內核只能提供設計的部分功能。在這種情況下，設計人員有必要使用一種現有的HDL語言來設計硬件。傳統的HDL包括VHDL Verilog。然而，C語言也正在演變成一種HDL，而且越來越多的工具開始支持C代碼的硬件綜合。HDL允許你完全定制自己的設計，而且可以與IP核一起使用：IP核只是簡單地被HDL代碼“引用”或調用。在學習HDL時，設計人員還需要學會如何使用邏輯綜合儀，它讀取HDL代碼并將它們映射成實際的硬件。傳統的HDL，即VHDL和Verilog，有更好的支持工具，但可能要求設計人員學習新的東西。大多數DSP工程師已經懂得C語言，但軟件支持不是那么強大，所以可能更難達到最優的設計性能。

如果已經決定用C語言作為HDL，那么重要的事情不僅是要復用已被用于DSP軟件實現的C代碼，而且要把它們映射到硬件中。這將產生一種非常欠優化的實現結果。設計人員希望使用一種已經熟悉的語言，只有在為了獲得這種便利性時才應該采用 C語言。代碼應該在實現方案已經確定之后再編寫，以便代碼能反映實現方案。在硬件中執行并行操作既是有可能的，也是設計人員所期望的，而這在C語言中是不可能的，因為它是為純粹按順序執行的軟件而設計的。因此，已經進行了某些修改以允許C語言支持并行操作。在設計硬件之前，設計人員應該學會如何在C語言中高效地編寫并行結構。這些結構因工具供應商的不同而略有差別。

現在，你可以開始在FPGA中實現DSP功能了。在實現你的設計時要記住以下最重要的事情：
1）學習你選中的FPGA的架構和特性，在決定實現方案時努力利用它們。
2）了解DSP應用的性能需求。要了解的最重要指標包括：采樣率、采樣的位分辨率和系數、濾波器的級數或傅立葉變換(FFT)的數據點數。
3）根據性能需求決定FPGA架構。
4）在實現設計時，要記住利用FPGA架構。