自上而下直到物理實(shí)現(xiàn)的DSP設(shè)計(jì)流程

引言
世界正處于高科技下一波快速增長(zhǎng)的開(kāi)端， DSP已經(jīng)成為業(yè)界公認(rèn)的、將按指數(shù)增長(zhǎng)的技術(shù)焦點(diǎn)。目前，大多數(shù)DSP設(shè)計(jì)已經(jīng)能在半導(dǎo)體生產(chǎn)商(如T1、ADI、Freescale等)提供的通用DSP芯片上實(shí)現(xiàn)。通用處理器的價(jià)格相對(duì)比較便宜，并且有高質(zhì)量和廉價(jià)的編程工具、方便快速實(shí)現(xiàn)DSP算法的支持，但開(kāi)發(fā)人員更希望在原型創(chuàng)建和調(diào)試過(guò)程中能進(jìn)行重新編程。

圖1  通用DSP處理器的性能與通信領(lǐng)域需要的DSP處理性能的比較

速度的需要
現(xiàn)在，對(duì)電子系統(tǒng)的性能要求已經(jīng)超過(guò)了通用DSP處理器的能力。圖1顯示了由寬帶網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的對(duì)DSP算法的性能需求與通用DSP處理器性能的差異。可以看出通用DSP的性能容量與新的寬帶通信技術(shù)的需求之間的差距正以指數(shù)速率擴(kuò)大。
傳統(tǒng)上DSP開(kāi)發(fā)者可以獲得的改變通用DSP處理器性能的唯一方法就是將DSP算法注入到ASIC中，以達(dá)到加速硬件的目的。然而這種ASIC的解決方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難，而且在ASIC上實(shí)現(xiàn)DSP算法是以犧牲可重編程的靈活性為代價(jià)的，同時(shí)還需要大量的非重復(fù)設(shè)計(jì)費(fèi)用、漫長(zhǎng)的原型初始化，以及購(gòu)買大量昂貴的集成電路設(shè)計(jì)工具等。
隨著先進(jìn)的FPGA架構(gòu)如Xilinx Virtex-II和Altera Stratix-II的引入，DSP設(shè)計(jì)者可以獲得一種把通用DSP處理器的所有優(yōu)點(diǎn)與ASIC的先進(jìn)性能綜合在一起的新型硬件。這些新型的FPGA架構(gòu)可以優(yōu)化DSP的實(shí)現(xiàn)，并能提供滿足現(xiàn)今電子系統(tǒng)所必需的處理能力。
FPGA的優(yōu)越性表現(xiàn)在它能允許DSP設(shè)計(jì)者做到“使結(jié)構(gòu)適應(yīng)算法”，設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的需要最大限度地使用FPGA內(nèi)部的并行資源。而在通用DSP處理器中資源是固定的，因?yàn)槊總€(gè)處理器只包含一些數(shù)量有限的類似乘法器一樣的基本運(yùn)算功能，設(shè)計(jì)者必須做到“使算法適應(yīng)結(jié)構(gòu)”，因而無(wú)法達(dá)到在FPGA中能夠獲得的性能。

圖2  全球DSP收入預(yù)測(cè)

半導(dǎo)體工業(yè)的亮點(diǎn)
圖2顯示了整個(gè)DSP市場(chǎng)和片內(nèi)算法市場(chǎng)(由FPGA、結(jié)構(gòu)化ASIC和ASIC幾部分組成)的年收入預(yù)測(cè)。其中，DSP片內(nèi)算法市場(chǎng)今后三年內(nèi)將以高于42%的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，是整個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域增長(zhǎng)最快的部分。
現(xiàn)在DSP的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn)和二十世紀(jì)九十年代ASIC的設(shè)計(jì)者所面臨的類似—DSP開(kāi)發(fā)組如何用目標(biāo)FPGA的設(shè)計(jì)方法代替通用DSP；如何去開(kāi)發(fā)所需要的新的設(shè)計(jì)技巧；如何完善公司的設(shè)計(jì)流程；怎樣才能提出新的DSP算法的實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)又不危及當(dāng)前產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)計(jì)劃?；蛟S更重要的是，管理者怎樣才能夠使災(zāi)難性結(jié)果發(fā)生的可能性降低到最小。
AccelChip公司認(rèn)為DSP的未來(lái)取決于新型設(shè)計(jì)方法的采用，而這種方法必須能使公司滿足DSP市場(chǎng)對(duì)上市時(shí)間、成本的苛刻要求。和ASIC、FPGA的產(chǎn)生一樣，對(duì)DSP變革的方式就是采用真正的、自上而下的設(shè)計(jì)流程。

圖3 傳統(tǒng)的DSP設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)自上而下的設(shè)計(jì)流程
傳統(tǒng)上，DSP設(shè)計(jì)被分為兩種類型的工作：系統(tǒng)/算法的開(kāi)發(fā)和軟/硬件的實(shí)現(xiàn)。這兩類工作是由完全不同的兩組工程師完成，通常這兩個(gè)組在各自的接口之間被相對(duì)分開(kāi)。算法開(kāi)發(fā)者在不考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或軟/硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的情況下使用數(shù)學(xué)分析工具來(lái)創(chuàng)建、分析和提煉所需要的DSP算法；系統(tǒng)設(shè)計(jì)者則主要考慮功能的定義和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并保持與產(chǎn)品說(shuō)明及接口標(biāo)準(zhǔn)相一致。軟/硬件設(shè)計(jì)組采用系統(tǒng)工程師和算法開(kāi)發(fā)人員所建立的規(guī)范進(jìn)而完成DSP設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn)。
一般來(lái)講，細(xì)則規(guī)范可劃分成很多小的模塊，每個(gè)小模塊分配給各個(gè)成員，他們必須首先理解屬于自己的模塊的功能。
如果DSP算法的目標(biāo)是FPGA、結(jié)構(gòu)化ASIC或SoC，那么首要任務(wù)就是用Verilog或VHDL等硬件描述語(yǔ)言來(lái)建立一個(gè)RTL模型。這就需要實(shí)現(xiàn)工程師了解通信理論和信號(hào)處理以便明白系統(tǒng)工程師提出的細(xì)則規(guī)范。建立一個(gè)RTL模型和仿真測(cè)試平臺(tái)常常需要花費(fèi)一至兩個(gè)月的時(shí)間，這主要是因?yàn)樾枰斯を?yàn)證RTL文件和MATLAB模型的準(zhǔn)確匹配。RTL模型仿真環(huán)境一經(jīng)建立，實(shí)現(xiàn)工程師就要同系統(tǒng)工程師和算法開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行交流，共同分析DSP系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的性能、范圍和功能。
由于系統(tǒng)工程師在算法開(kāi)發(fā)階段無(wú)法看到物理層設(shè)計(jì)，因此通常會(huì)需要修改原來(lái)的算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、更新文字性規(guī)范、修改RTL模型和測(cè)試平臺(tái)以及重新仿真，這些過(guò)程往往需要連續(xù)進(jìn)行多次，直到DSP系統(tǒng)的性能要求能夠由硬件實(shí)現(xiàn)為止。接著，實(shí)現(xiàn)工程師使用邏輯綜合執(zhí)行一種標(biāo)準(zhǔn)的FPGA/ASIC自上而下的設(shè)計(jì)流程，從而將RTL模型映射到門(mén)級(jí)網(wǎng)表，并且使用物理設(shè)計(jì)工具在給定的FPGA/ASIC器件中設(shè)置布局網(wǎng)表。圖3給出了基本的片內(nèi)DSP算法的設(shè)計(jì)流程，主要由算法開(kāi)發(fā)和硬件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)分開(kāi)的部分組成。
如上所述，只有花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間人工建立基于文字規(guī)范的RTL模型，才能避免因兩個(gè)設(shè)計(jì)域(design domains)之間缺乏聯(lián)系而造成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)程的延遲，然而對(duì)這一設(shè)計(jì)工程更大的擔(dān)心是DSP算法的物理設(shè)計(jì)是基于硬件工程師對(duì)文字規(guī)范主觀的理解。
硬件工程師中缺乏DSP專家，因此常常會(huì)因?yàn)閷?duì)要求功能的曲解而造成災(zāi)難性的后果。隨著DSP復(fù)雜度的增加，在人工建立RTL模型的過(guò)程中，產(chǎn)生錯(cuò)誤已司空見(jiàn)慣。由于相同的錯(cuò)誤被寫(xiě)入仿真測(cè)試平臺(tái)中，因此仿真中即便出現(xiàn)多次錯(cuò)誤也無(wú)法被捕捉到，只有到了原型設(shè)計(jì)階段，硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

改進(jìn)方法
FPGA/ASIC設(shè)計(jì)人員采用真正意義上的自上而下的設(shè)計(jì)方法，最重要的好處之一就是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理的改善。但是當(dāng)ASIC和FPGA采用和現(xiàn)有DSP設(shè)計(jì)相同的自下而上的設(shè)計(jì)方法時(shí)，由于缺乏單一且有效的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)源，將會(huì)引入許多錯(cuò)誤。因此，在當(dāng)今的DSP設(shè)計(jì)中，各個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)部門(mén)有義務(wù)使MATLAB模型和人工創(chuàng)建的RTL模型及測(cè)試平臺(tái)保持同步?？墒侨缜八?，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)很少交流，而且通常在地理位置上也相距很遠(yuǎn)。所以管理這些數(shù)據(jù)變得非常困難。
CoWare在其SPW工具包里提供了一種模塊同步問(wèn)題的解決方案：將輔助模擬設(shè)計(jì)方法的概念引入硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，從而達(dá)到從細(xì)則規(guī)范到實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變。在這種方法中，CoWare 建議DSP設(shè)計(jì)組使用他們具有DSP硬件模型庫(kù)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)可以執(zhí)行的規(guī)范，從而取代對(duì)DSP規(guī)范和算法進(jìn)行詮釋的編程語(yǔ)言。
這種方法在消除硬件工程師開(kāi)發(fā)RTL模型時(shí)造成的曲解方面很有優(yōu)勢(shì)，但是，它對(duì)確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同步方面還存在不足。由于每次修正模塊都需要人工修改可執(zhí)行規(guī)范，特別在現(xiàn)今復(fù)雜度不斷增加和產(chǎn)品上市時(shí)間越來(lái)越短的雙重壓力下，發(fā)生錯(cuò)誤的可能性將會(huì)大幅增加。

真正自上而下的
DSP設(shè)計(jì)方法
Accelchip公司的DSP合成工具使用VHDL或Verilog硬件描述語(yǔ)言能夠直接讀出MATLAB模型并自動(dòng)輸出可以合成的RTL模型和仿真測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)連接DSP的兩個(gè)設(shè)計(jì)域，給DSP設(shè)計(jì)小組在設(shè)計(jì)的人力和時(shí)間、曲解的消除、高成本的重復(fù)工作、硬件實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)驗(yàn)證，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和算法開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)的初期階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)探索時(shí)所需要的能力等方面帶來(lái)了很大的簡(jiǎn)化。
Accelchip使硬件設(shè)計(jì)人員不需要人工創(chuàng)建RTL模型和仿真測(cè)試平臺(tái)，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期，減少了硬件實(shí)現(xiàn)所需要設(shè)計(jì)人員的數(shù)量。而且自動(dòng)建立的RTL模型是目標(biāo)FPGA器件的“結(jié)構(gòu)化意識(shí)”，而不是簡(jiǎn)單的、繼承下來(lái)的RTL模型。建立RTL模型后，其高級(jí)綜合工具將創(chuàng)建一個(gè)邏輯綜合的最佳實(shí)現(xiàn)，以確保所產(chǎn)生的門(mén)級(jí)網(wǎng)表具有FPGA器件的優(yōu)點(diǎn)。
例如，DSP算法在不同供應(yīng)商提供的FPGA器件列中實(shí)現(xiàn)，其性能和范圍有很大的差異，這是因?yàn)閷?duì)于不同設(shè)備來(lái)講，結(jié)構(gòu)、邏輯資源、布局資源以及布局方法都是不同的。通過(guò)“結(jié)構(gòu)化意識(shí)”，Accelchip為DSP設(shè)計(jì)小組的目標(biāo)FPGA器件提供了很好的物理實(shí)現(xiàn)。同時(shí)通過(guò)提供容易使用的、自動(dòng)的從MATLAB到硬件實(shí)現(xiàn)的直接路徑，使得DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和算法開(kāi)發(fā)人員能夠在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)初期定義他們的算法。進(jìn)而算法開(kāi)發(fā)人員能夠很快地將MATLAB設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成綜合了性能、范圍、成本和功率優(yōu)點(diǎn)的目標(biāo)FPGA的門(mén)級(jí)網(wǎng)表。有了來(lái)自算法物理實(shí)現(xiàn)的初期或開(kāi)發(fā)周期中的反饋，就意味著設(shè)計(jì)流程后期所做的重復(fù)更少，再一次節(jié)省了寶貴的時(shí)間和人力。

結(jié)語(yǔ)
DSP技術(shù)的重要性日益增加，對(duì)其算法的性能要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通用性DSP處理器的能力，從而促使DSP實(shí)現(xiàn)小組去尋找硬件的解決方法。FPGA給DSP實(shí)現(xiàn)提供了理想的平臺(tái)，Accelchip提供的真正的自上而下的設(shè)計(jì)方案無(wú)縫地融入了DSP的設(shè)計(jì)環(huán)境，從而確保了在轉(zhuǎn)向真正的自上而下的DSP設(shè)計(jì)方法時(shí)管理風(fēng)險(xiǎn)的最小化。(姚玉坤譯)■