基于FPGA的DSP嵌入系統(tǒng)及其在平板顯示器中的應(yīng)用

前言

用FPGA實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)，均是在更大的芯片中嵌入的重復(fù)完成特定功能的計(jì)算系統(tǒng)，雖則是隱含嵌入，但實(shí)際上在各種常用的芯片中能夠找到這些嵌入式系統(tǒng)。例如，消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的手機(jī)、尋呼機(jī)、數(shù)字相機(jī)、攝像機(jī)、錄像機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理等。

當(dāng)今，以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)來實(shí)現(xiàn)可配置的嵌入式系統(tǒng)已越來越廣泛.其Spartan-3E FPGA成為實(shí)現(xiàn)各種低成本數(shù)字消費(fèi)類系統(tǒng)的理想器件。這是從系統(tǒng)對上市時(shí)間的要求、可編程的特性以及集成度等方面考慮有其獨(dú)特的優(yōu)勢。即采用90納米工藝生產(chǎn)FPGA器件之后，F(xiàn)PGA器件進(jìn)一步降低成本，減少功耗和提高性能，低成本使FPGA成為中小批量生產(chǎn)的應(yīng)用器件，應(yīng)用范圍從早期的軍事、通信系統(tǒng)等擴(kuò)展到低成本消費(fèi)電子類等產(chǎn)品。

目前，常用FPGA來實(shí)現(xiàn)DSP嵌入系統(tǒng)與嵌入微處理器系統(tǒng)，而本文主要介紹高性能、低成本的Spartan-3 FPGA實(shí)現(xiàn)的DSP嵌入系統(tǒng)及其Spartan-3系列器件在平板顯示器中的應(yīng)用。

2、關(guān)于用Spartan-3 FPG來實(shí)現(xiàn)的DSP嵌入系統(tǒng)

為什么利用Spartan-3 FPGA來實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)，這應(yīng)首先了解Spartan-3 FPGA特性，即Spadan-3的各種功能及其在實(shí)現(xiàn)DSP時(shí)的用途。

2.1 Spartan-3 FPGA特性概述

2.11成本較低的FPGA

*Spartan-3平臺FPGA具有很高的性價(jià)比

經(jīng)過優(yōu)化的Spartan-3 FPGA架構(gòu)，結(jié)合90納米處理技術(shù)和300毫米晶圓技術(shù)，每片晶圓產(chǎn)出的完好芯片數(shù)足130納米/200毫米技術(shù)的五倍，其每邏輯單元成本(CPL)最低。

*完整的密度范圍

Spartan-3FPGA的密度范圍是從50，000系統(tǒng)門到5，000，000系統(tǒng)門，這使得低成本FPGA與的密度范圍得到了前所未有的擴(kuò)展；326MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘率；三路電源干線內(nèi)核電壓1.2V、I/O電壓1.2~3.3V、輔助設(shè)備電壓2.5V.它為高容量，面向用戶的設(shè)備提供了非常低的成本與高性能邏輯方案。

*獨(dú)特的交錯(cuò)排列I/O引腳技術(shù)

Spartan-3FPGA結(jié)合了90納米處理性術(shù)和交錯(cuò)排列引腳技術(shù)，可以提供、很低的每I/O成本(CPl)和最高的每門I/O數(shù)。

2.12 獨(dú)特的功能

*XCITE技術(shù)(數(shù)字控制阻抗技術(shù))使用

XCITE片上數(shù)字終端不再需要外部電阻器(見圖1(a)所示)，這提供了大量的優(yōu)勢。 減少系統(tǒng)組件；提高系統(tǒng)可靠性；簡化電路板布局；降低制造成本；實(shí)現(xiàn)I/O最大帶寬；消除短反射噪音。

*選擇RAM分級存儲(即BlockRAM總位數(shù)高達(dá)1872kb)與擴(kuò)展內(nèi)存

Spartan-3 FPGA具有兩種類型的內(nèi)存，可以滿足不同的設(shè)計(jì)需求，即最大1.8Mb的真實(shí)雙端口塊RAM和最大520Kb的分布式RAM，其封裝形式為16位深×1位寬，可用作移位寄存器和FIFO。

*系統(tǒng)時(shí)鐘管理-具有4個(gè)DCM數(shù)字時(shí)鐘管理器

先進(jìn)的時(shí)鐘管理為高性能電路的設(shè)計(jì)者提供了更大的靈活性和更強(qiáng)的控制能力，見圖1(b)所示。最多四個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理器(DCM)，并帶有9個(gè)外部輸出；8個(gè)預(yù)設(shè)的全球時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，即8根全局時(shí)鐘線路和豐富的尋址。

*嵌入式乘法器

專用的硅資源允許充分地自定義數(shù)據(jù)路徑，并獲得最佳DSP性能，見圖1(c)所示。 最多104個(gè)18×18乘法器，該乘法器模塊允許兩個(gè)18位二進(jìn)制作為輸入并計(jì)算輸出36位結(jié)果，見圖所示；而專用的進(jìn)位邏輯和高效級聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)更多功能。

*SelectIO-超級連接

每個(gè)I/O針腳都支持24個(gè)通用I/O標(biāo)準(zhǔn)中的任意一個(gè)，所以Spanan-3 FPGA可以最低的成本提供最靈活的連接，即可編程I/O技術(shù)；支持PCI、HSTL、SSSL、超傳送(HyperTransport)、LVDS、RSDS、LVPECL、LVPEL、LVCMOS及更多。

2.14邏輯資源

豐富的邏輯單元，寄存器具有移位能力；18X18乘法器；JTAG邏輯與IEEEll49.1/1532說明兼容。

2.15 可以被Xilinx ISE(系統(tǒng)內(nèi)仿真器)開發(fā)系統(tǒng)支持。即綜合、映射、替代和尋址。

Spartan-3設(shè)備以最低成本提供高密度的FPGA，這使得它們非常適合于數(shù)量大、注重成本、以DSP為核心的應(yīng)用程序。

即嵌入式18×18乘法器(最多104個(gè))、每秒最多3300億次乘法和累加運(yùn)算(MAC/s)、優(yōu)秀的高速DSP功能的并行實(shí)現(xiàn)能力、靈活的串聯(lián)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)成本/功能需求的最佳組合，見圖所示最大的成本/性能靈活性。預(yù)驗(yàn)證的DSP算法和核心，即濾波器、檢波、變換、算法、FEC、相關(guān)器。

2.2 Spartan-3獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)

Spartan-3系列的結(jié)構(gòu)可由5個(gè)基本的可編程功能模塊組成，分別是可配置邏輯模塊(CLB)，輸入/輸出模塊(IOB)、BlockRAM、乘法器模塊和數(shù)字時(shí)鐘管理器(DCM)。這些 小模塊的組成如圖2所示。一系列IOB模塊沿芯片的邊沿分布，圍繞著一組按規(guī)則排列的CLB模塊。如XC3S50型只有一個(gè)按列排列的BlockRAM嵌在陣列中，XC3S200型到XC3S2000小型有兩個(gè)按列排列的BlockRAM，而XC3S4000和XC3S5000有4個(gè)BlockRAM。每個(gè)列狀BLockRAM是由幾個(gè)18kbRAM模塊組成，每個(gè)模塊與專用乘法器有受.。DCM放在BLockRAM的外端。

由上所見， FPGA解決方案的可編程特性降低了新系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)在開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。由于擁有諸如多個(gè)I/O槽、片上數(shù)字時(shí)鐘管理器、以及大量的Block存儲器和分布式存儲器等其它功能，Spartan-3也可以高效實(shí)現(xiàn)許多控制/膠合邏輯功能，有效減小了系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜度和成本。

2.3 Spartan-3 FPGA來實(shí)現(xiàn)的DSP嵌入系統(tǒng)

Spartan-3設(shè)備以最低成本提供高密度的FPGA，這使得它們非常適合于數(shù)量大、注重成本、以DSP為核心的應(yīng)用程序。

其嵌入式18×18乘法器(最多104個(gè))、每秒最多3300億次乘法和累加運(yùn)算(MAC/s)、優(yōu)秀的高速DSP功能的并行實(shí)現(xiàn)能力、靈活的串聯(lián)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)成本/功能需求的最佳組合，見圖3(a)所示最大的DSP成本/性能靈活性。

預(yù)驗(yàn)證的DSP算法和核心，即濾波器、檢波、變換、算法、FEC、相關(guān)器。而Spartan-3 FPGA 在高性能DSP應(yīng)用中，有各種不同F(xiàn)IR濾波器技術(shù)的適用情況，而FIR濾波器的算法為：

公式中n個(gè)系數(shù)與n個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采樣相乘，再對內(nèi)積求和產(chǎn)生單個(gè)結(jié)果。系數(shù)數(shù)值將確定濾波器的低通/高通/帶通特性，可以利用不同的架構(gòu)和不同的方法來實(shí)現(xiàn)濾波器的功能。

由此可以說，因?yàn)镕PGA是極高并行度的信號處理引擎，能夠滿足算法復(fù)雜度不斷增加的應(yīng)用要求，通過并行方式提供極高性能的信號處理能力。Xilinx的XtremeDSP模塊，如圖3(b)所示，使得Sparten3系列FPGA可以為高性能的數(shù)字信號處理提供理想的解決方案，達(dá)到傳統(tǒng)上由ASIC或ASSP完成的高性能信號處理能力?？梢葬槍?shù)字通信和視頻圖象處理等應(yīng)用開發(fā)高性能的DSP引擎，也可在可編程DSP系統(tǒng)中作為預(yù)處理器或協(xié)處理器等。

由于嵌入式18×18乘法器(最多104個(gè))適應(yīng)DSP應(yīng)用中的眾多的功能。提高了操作數(shù)輸入、中間積和累加器輸出的可編程流水線操作。

在復(fù)雜算法的數(shù)字處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)要求的不斷提高和集成規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的開始階段是不明確的，不可能直接用RTL(寄存器轉(zhuǎn)移級)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行描述，所以將系統(tǒng)集成到數(shù)字芯片中。

采用數(shù)字技術(shù)對復(fù)雜算法進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先遇到的問題是在結(jié)構(gòu)上并沒有預(yù)先的規(guī)定，因此需要首先對算法建模和仿真進(jìn)行優(yōu)化。與基于RTL針對結(jié)構(gòu)清晰的設(shè)計(jì)方法不同，算法設(shè)計(jì)把焦點(diǎn)從針對結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)移到對設(shè)計(jì)的整體要求和行為，在最高的算法層次上考慮如何進(jìn)行設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)的行為描述定義了設(shè)計(jì)要執(zhí)行的算法，不涉及或很少涉及實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，因此行為描述比RTL描述要簡潔的多。

圖3(c)為易用的DSP設(shè)計(jì)流程所示， 糸統(tǒng)產(chǎn)生器的DSP設(shè)計(jì)環(huán)境，包含了系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、算法優(yōu)化和改進(jìn)、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和診斷及HDL產(chǎn)生和仿真等。而綜合DSP設(shè)計(jì)服務(wù)包括DSP設(shè)計(jì)等級、現(xiàn)埸工程服務(wù)。

3、Spartan-3系列器件在平板顯示器中的應(yīng)用

由于低成本和全功能的結(jié)合Spartan-3系列器件特別適合用于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字消費(fèi)類系統(tǒng)。使Spartan3器件在平板顯示器市場應(yīng)用中極具吸引力，即Spadan-3器件得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)市場就是平板顯示器(FPD)市場，它是新潮流，值以此為例介紹。

首先要說明的是平板顯示器是新型消費(fèi)類電視中增長最快的部分，其市場上有三種平板顯示器，即LCD、等離子和投影電視(DLP)。

3.1 Spartan-3芯片在平板顯示器(FPD)應(yīng)用中的價(jià)值

Spartan-3 FPGA提供了FPD系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員非常有用的各種功能。包括能夠高效實(shí)現(xiàn)DSP功能的嵌入式乘法器；在實(shí)現(xiàn)流水線或多通道功能時(shí)能夠支持高性能并減少資源利用率的移位寄存器；大量的存儲器資源；以及對顯示器市場普遍使用的差分I/O標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)在支持，那Spartan-3芯片功能在平板顯示器(FPD)應(yīng)用中的價(jià)值是什么，即Spartan-3的各種功能及其在實(shí)現(xiàn)DSP時(shí)的用途。

*Spartan-3芯片功能在平板顯示器(FPD)應(yīng)用中的價(jià)值：

嵌入式乘法器，能有效實(shí)現(xiàn)MAC(媒體存儲控制) FIR濾波器和其它DSP功能；

移位寄存器邏輯，能有效實(shí)現(xiàn)多通道功能；

BlockRAM和分布式RAM，為視頻線緩沖器，高速緩存標(biāo)志存儲器，用于DSP系數(shù)的便箋式存儲器、數(shù)據(jù)包、緩沖器、FIFO；

對RSDS的內(nèi)置支持，為無終端電阻的RSDS支持及其它特殊設(shè)計(jì)考慮之用。

*只有了解FPGA在FPD系統(tǒng)中究竟有是那些典型應(yīng)用(見圖所示4)，才能將Spartan-3芯片可以以各種方式應(yīng)用于FPD設(shè)計(jì)之中。

3.2 FPGA在FPD系統(tǒng)中典型應(yīng)用分析(由圖所示4可知)：

3.21前端預(yù)處理

在數(shù)字RGB信號饋入到主圖像處理引擎之前，通常需要進(jìn)行某種預(yù)外琿。這種預(yù)處埋可以是離散余弦變換、解密、或者是交叉/解交叉。通常FPGA呈與客戶的圖像處理ASIC或ASSP結(jié)合使用，一個(gè)普遍用途是在圖像縮放和解交叉過程中輔助ASSP。

3.22核心處理

盡管核心圖像處埋通常是由標(biāo)準(zhǔn)ASSP或定制ASIC完成，但有時(shí)也使用FPGA進(jìn)行定制處理.這些功能實(shí)例包括：Y校正、圖像縮放、邊緣檢測、尖銳度、對比度和幀緩沖器。有了Spartan-3器件提供的這些性能，可以在最小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)多種功能?？梢允褂玫哪承ｍ?xiàng)技術(shù)，包括：色空間轉(zhuǎn)換器、JPEG多媒體數(shù)字信號編解碼器、離散余弦變換器及MPEG視頻編碼器/解碼器。

可以多次使用FPGA與屏幕或者外部存儲器進(jìn)行接口.Spartan-3支持小擺幅差分I/O標(biāo)準(zhǔn)(如RSDS) ，也支持其它單端標(biāo)準(zhǔn)(如SSTL/HSTL) ，因而它可以在這些應(yīng)用中進(jìn)行使用。

FPGA也可以用于實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制單元(TCON，見圖5所示)，來控制水平和垂直像素顯示格式。TCON多少有點(diǎn)象一個(gè)垂直和水平顯示器計(jì)數(shù)器。Spartan-3架構(gòu)中的大量觸發(fā)器和內(nèi)置進(jìn)位鏈可以有效實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。同樣，由于具有充足的差分I/O通道，Spartan-3FPGA成為I/O密集型設(shè)計(jì)的有效架構(gòu)。圖5顯示了即使一個(gè)很小的Spartan-3E器件也具有足夠的差分I/O資源來驅(qū)動較大的LCD/等離子體屏幕。

4、結(jié)束語

Spartan-3E FPGA成為實(shí)現(xiàn)各種低成本數(shù)字消費(fèi)類系統(tǒng)的理想器件.該DSP嵌入式系統(tǒng)具有幾個(gè)共同的特性，即單一功能、軟硬件共存、實(shí)時(shí)反應(yīng)及嚴(yán)緊的限制. 目前Spartan-3E FPGA生產(chǎn)廠商己有Xilinx、Altera、Lattice等公司，本文僅以Xilinx公司的Spartan-3 FPGA為例作一說明。

在平板顯示器系統(tǒng)中，由于僅占用競爭FPGA所需面積的一小部分就能實(shí)現(xiàn)高性能DSP，Spartan-3E架構(gòu)更加高效有用。

到目前為止，Spartan-3 FPGA已成功地應(yīng)用于平板顯示器系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)以下功能：

*SD/HD色空間轉(zhuǎn)換；

*4：4：4 to 4：2：2縮減像素采樣；

*數(shù)字RGB到USB讀卡器功能；

*時(shí)序控制和板RSDS驅(qū)動器；

*圖像壓縮/解壓縮

除上述之外，只要引入高性能、低成本的Spartan-3FPGA，就可以設(shè)計(jì)出用在大量數(shù)字消費(fèi)品中的可編程邏輯，例如視訊轉(zhuǎn)接盒、電纜調(diào)制解調(diào)器、HDTV、DVD-RW播放器、LCDTV、家庭多媒體服務(wù)器、家用網(wǎng)關(guān)及更多。