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FPGA-DSP性能揭秘
在无线基站等高性能DSP应用中，考虑将FPGA用作处理引擎者日益增多。在这些应用中，FPGA既可与DSP处理器一争高下，亦可与之比翼齐飞。
有了更多选择，就意味着系统设计者有必要了解高端FPGA的信号处理性能，其中既包括FPGA之间的性能对比，也包括与高端DSP处理器的性能对比。遗憾的是，最常用的性能数字非但有失可靠、含混不清，而且常常是矛盾百出。
例如，因为DSP应用常常在很大程度上依赖乘法累加(MAC)运算，所以DSP处理器和FPGA供应商有时用每秒MAC运算次数的峰值作为简单度量来比较数字信号处理性能。但MAC流量对于FPGA和DSP二者都同样是糟糕的性能预测值。我们来分析几个原因。
简单度量显露缺憾
FPGA的MAC性能数字常常假设硬连线DSP器件是在其可能的最高时钟速率下工作。但实际上，典型FPGA设计的工作速率都比较低。另外，使用硬连线器件并非在FPGA上执行MAC运算的唯一方法，您可以使用可编程逻辑资源和分布式算法获得更大的MAC流量。与仅使用硬连线器件相比，这种方法可产生更高的MAC流量。
另一个考虑因素是，除了MAC运算，典型的DSP应用还依赖许多其他运算方法。例如，Viterbi解码就是在完全不使用MAC的电信应用中使用的一种关键DSP算法。
另一种评价信号处理性能的方法是使用常用的DSP函数，如FIR滤波器函数。但此方法也有缺点。其中一个问题是，每个供应商在使用这样的函数时，实现方法往往不同，他们可能使用不同的数据宽度、不同的算法或不同的实现参数(如延时参数)。这意味着不同供应商的结果通常是不可比的。
再者，较小的核函数通常对FPGA基准测试无效，因为在完整FPGA应用中实现函数的方法常常与单独实现该函数的方法大相径庭。相反，对于处理器来说，这些小型基准测试往往颇能预测DSP应用的总体性能。最后，处理器或FPGA供应商实施的基准测试常常缺乏独立验证，这使工程师们很难在器件之间做出自信的比较。
独立基准测试填补空白
最近，BDTI使用BDTI通讯基准测试(0FDM)对若干新型高性能FleA和DSP处理器进行了评价，此报告结论在DSP系统设计者中引起了极大关注。该报告包括两套基准测试结果：高容量结果(为支持每芯片最大通道数而优化)和低成本结果(针对每通道最低成本而优化)。为一个Xilinx Virtex-4 SX25 FPGA和一个典型高性能DSP处理器的规范化低成本结果。
此基准测试结果显示，Virtex-4 SX25器件的成本效益比典型的高性能DSP处理器高出一个数量级。
当然，仅基准测试结果还不足以回答是否在新系统设计中使用FPGA或选择哪种FPGA的问题。设计者必须了解处理引擎的选择对开发流程、实现难度和系统设计有何影响。
Sparten-DSP：瞄准用得起的DSP性能
在DSP市场中，并不总是那些最快的、最便宜的或最节能的处理器才能胜出：对于每个范畴都能应付自如的平台，才能稳操胜券。在高密度Virtex系列之外，Xilinx今年4月第一次推出了基于低成本系列的Spartan-3A DSP。Spartan-3A DSP实现了32GMAC/s、高达2200Mbps的内存带宽和更小的体积。对于以下种种应用来说，充分满足了其要求：单通道微微蜂窝无线基站中的数字前端(DFE)和基带解决方案；军用移动软件定义无线电(SDR)；超声波系统；驾驶员助手/媒体系统；高清晰度视频；智能IP摄像机。
Spartan-3A DSP不仅拥有高达53712个逻辑单元、2268Kb的Block RAM、373 Kb的分布式RAM、519只I/O引脚、安全专用DeviceDNA、新开发的休眠/悬挂式电源管理功能，提供了足够的集成空间，使得价位/性能/功耗的比率降至更低。除此之外，还有基于FPGA的DSP解决方案所固有的优点：通过设计上的灵活性和更快的上市时间实现低风险。
针对DSP而优化的Spartan FPGA
Spartan一3A DSP的核心是XtremeDSPDSP48 Slice的一个修订版本-DSP48A。DSP48Slice最初是随着Virtex-4 FPGA的发布而推出的，它具有“面向应用的组合模块”(ASMBL)架构，能提供Virtex DSP器件中的DSP功能。这些XtremeDSP Slice使得设计者们能够针对复杂的挑战实施解决方案，例如：数百个IF(中频)到基带下变频转换通道，用于3G传输频谱系统的128倍芯片速率处理和高清晰度H.264及MPEG-4编码/解码算法。
这种DSP48 Slice支持许多独立功能，包括：乘法器、MAC、乘法器带加法器、3输入加法器、桶式移位器、宽总线多路复用器、量级比较器或宽计数器。这种架构也支持将多个DSP48 Slice连在一起形成宽数学函数、DSP过滤器和复杂算术函数，而无需使用总体FPGA架构，从而降低了功耗，同时达到高的性能和芯片使用率。
为降低成本，DSP48A Slice去掉了舍入模式、17位移位器和3输入加法器。如有需要，您可以在FPGA架构中实现这些功能。DSP48A Slice还有两项额外增强功能：一个独立控制的C-port和一个预加器。独立的C-port在实施DSP算法时提供了更高的灵活性。预加器则提高了普通DSP过滤器和FFT的密度。特别值得一提的是，预加器可以用来减少所需DSP48ASlice的数量：对对称FIR过滤器来说，可减少50％；对FFT算法，可减少25％。在Spartan-3ADSP平台上，优化过的DSP48A Slice在最慢的速度级别上也达到了250MHz的运行频率。
应用效果
Spartan-3ADSP器件所带来的效率，从下例中可见一斑：在智能IP摄像机应用中，一个单独的XC3SDl800A器件可以代替两个25美元的DSP处理器，它容纳了处理过程中的整个视频管道部分。25美元成本直接降低不说，用户还可以将其余控制功能置于一个更小、更经济的DSP处理器中，于是材料费又可降低10美元。再加上功耗、占用空间和材料单(BOM)上的节省，Spartan-DSP对盈利性、可靠性和产品移植都有着直接而积极的影响。
类似的对多流视频服务器的研究表明：一个使用六个25美元DSP处理器的设计可缩减到使用三个25美元Spartan-3A DSP器件，成本立刻降低几乎一半。
在有些场合，比如SDR在移动防卫通讯方面的应用，Spartan-3A DSP可作为离散DSP的可重新配置协处理器使用，同时还可消除对支持多波形的双重电路的需求。
设计工具：XtremeDSP解决方案
XtremeDSP是让FPGA-DSP能供三类特定的设计者群体使用：系统设计者、DSPI程师和FPGA/硬件工程师。每一个群体都代表着一系列的特殊责任(和偏好)。因此，XtremeDSP的关键是设计工具在多大程度上能适应所有这三个群体。自从XtremeDSP计划启动以来，诸如SystemGenemtor和AccelDSP等工具已有长足发展，能提供系统建模、算法开发和探索、测试平台的自动生成、设计验证和调试以及HDL的生成和仿真。无论您更偏好于使用VHDL、Verilog、C/C++、MATLAB、Simulink、HDL还是其任意组合，XlremeDSP工具都能提供快速、高效的手段，让您自如地驾驭FPGA的强大功能。
在无线基站等高性能DSP应用中，考虑将FPGA用作处理引擎者日益增多。在这些应用中，FPGA既可与DSP处理器一争高下，亦可与之比翼齐飞。
有了更多选择，就意味着系统设计者有必要了解高端FPGA的信号处理性能，其中既包括FPGA之间的性能对比，也包括与高端DSP处理器的性能对比。遗憾的是，最常用的性能数字非但有失可靠、含混不清，而且常常是矛盾百出。
例如，因为DSP应用常常在很大程度上依赖乘法累加(MAC)运算，所以DSP处理器和FPGA供应商有时用每秒MAC运算次数的峰值作为简单度量来比较数字信号处理性能。但MAC流量对于FPGA和DSP二者都同样是糟糕的性能预测值。我们来分析几个原因。
简单度量显露缺憾
FPGA的MAC性能数字常常假设硬连线DSP器件是在其可能的最高时钟速率下工作。但实际上，典型FPGA设计的工作速率都比较低。另外，使用硬连线器件并非在FPGA上执行MAC运算的唯一方法，您可以使用可编程逻辑资源和分布式算法获得更大的MAC流量。与仅使用硬连线器件相比，这种方法可产生更高的MAC流量。
另一个考虑因素是，除了MAC运算，典型的DSP应用还依赖许多其他运算方法。例如，Viterbi解码就是在完全不使用MAC的电信应用中使用的一种关键DSP算法。
另一种评价信号处理性能的方法是使用常用的DSP函数，如FIR滤波器函数。但此方法也有缺点。其中一个问题是，每个供应商在使用这样的函数时，实现方法往往不同，他们可能使用不同的数据宽度、不同的算法或不同的实现参数(如延时参数)。这意味着不同供应商的结果通常是不可比的。
再者，较小的核函数通常对FPGA基准测试无效，因为在完整FPGA应用中实现函数的方法常常与单独实现该函数的方法大相径庭。相反，对于处理器来说，这些小型基准测试往往颇能预测DSP应用的总体性能。最后，处理器或FPGA供应商实施的基准测试常常缺乏独立验证，这使工程师们很难在器件之间做出自信的比较。
独立基准测试填补空白
最近，BDTI使用BDTI通讯基准测试(0FDM)对若干新型高性能FleA和DSP处理器进行了评价，此报告结论在DSP系统设计者中引起了极大关注。该报告包括两套基准测试结果：高容量结果(为支持每芯片最大通道数而优化)和低成本结果(针对每通道最低成本而优化)。为一个Xilinx Virtex-4 SX25 FPGA和一个典型高性能DSP处理器的规范化低成本结果。
此基准测试结果显示，Virtex-4 SX25器件的成本效益比典型的高性能DSP处理器高出一个数量级。
当然，仅基准测试结果还不足以回答是否在新系统设计中使用FPGA或选择哪种FPGA的问题。设计者必须了解处理引擎的选择对开发流程、实现难度和系统设计有何影响。
Sparten-DSP：瞄准用得起的DSP性能
在DSP市场中，并不总是那些最快的、最便宜的或最节能的处理器才能胜出：对于每个范畴都能应付自如的平台，才能稳操胜券。在高密度Virtex系列之外，Xilinx今年4月第一次推出了基于低成本系列的Spartan-3A DSP。Spartan-3A DSP实现了32GMAC/s、高达2200Mbps的内存带宽和更小的体积。对于以下种种应用来说，充分满足了其要求：单通道微微蜂窝无线基站中的数字前端(DFE)和基带解决方案；军用移动软件定义无线电(SDR)；超声波系统；驾驶员助手/媒体系统；高清晰度视频；智能IP摄像机。
Spartan-3A DSP不仅拥有高达53712个逻辑单元、2268Kb的Block RAM、373 Kb的分布式RAM、519只I/O引脚、安全专用DeviceDNA、新开发的休眠/悬挂式电源管理功能，提供了足够的集成空间，使得价位/性能/功耗的比率降至更低。除此之外，还有基于FPGA的DSP解决方案所固有的优点：通过设计上的灵活性和更快的上市时间实现低风险。
针对DSP而优化的Spartan FPGA
Spartan一3A DSP的核心是XtremeDSPDSP48 Slice的一个修订版本-DSP48A。DSP48Slice最初是随着Virtex-4 FPGA的发布而推出的，它具有“面向应用的组合模块”(ASMBL)架构，能提供Virtex DSP器件中的DSP功能。这些XtremeDSP Slice使得设计者们能够针对复杂的挑战实施解决方案，例如：数百个IF(中频)到基带下变频转换通道，用于3G传输频谱系统的128倍芯片速率处理和高清晰度H.264及MPEG-4编码/解码算法。
这种DSP48 Slice支持许多独立功能，包括：乘法器、MAC、乘法器带加法器、3输入加法器、桶式移位器、宽总线多路复用器、量级比较器或宽计数器。这种架构也支持将多个DSP48 Slice连在一起形成宽数学函数、DSP过滤器和复杂算术函数，而无需使用总体FPGA架构，从而降低了功耗，同时达到高的性能和芯片使用率。
为降低成本，DSP48A Slice去掉了舍入模式、17位移位器和3输入加法器。如有需要，您可以在FPGA架构中实现这些功能。DSP48A Slice还有两项额外增强功能：一个独立控制的C-port和一个预加器。独立的C-port在实施DSP算法时提供了更高的灵活性。预加器则提高了普通DSP过滤器和FFT的密度。特别值得一提的是，预加器可以用来减少所需DSP48ASlice的数量：对对称FIR过滤器来说，可减少50％；对FFT算法，可减少25％。在Spartan-3ADSP平台上，优化过的DSP48A Slice在最慢的速度级别上也达到了250MHz的运行频率。
应用效果
Spartan-3ADSP器件所带来的效率，从下例中可见一斑：在智能IP摄像机应用中，一个单独的XC3SDl800A器件可以代替两个25美元的DSP处理器，它容纳了处理过程中的整个视频管道部分。25美元成本直接降低不说，用户还可以将其余控制功能置于一个更小、更经济的DSP处理器中，于是材料费又可降低10美元。再加上功耗、占用空间和材料单(BOM)上的节省，Spartan-DSP对盈利性、可靠性和产品移植都有着直接而积极的影响。
类似的对多流视频服务器的研究表明：一个使用六个25美元DSP处理器的设计可缩减到使用三个25美元Spartan-3A DSP器件，成本立刻降低几乎一半。
在有些场合，比如SDR在移动防卫通讯方面的应用，Spartan-3A DSP可作为离散DSP的可重新配置协处理器使用，同时还可消除对支持多波形的双重电路的需求。
设计工具：XtremeDSP解决方案
XtremeDSP是让FPGA-DSP能供三类特定的设计者群体使用：系统设计者、DSPI程师和FPGA/硬件工程师。每一个群体都代表着一系列的特殊责任(和偏好)。因此，XtremeDSP的关键是设计工具在多大程度上能适应所有这三个群体。自从XtremeDSP计划启动以来，诸如SystemGenemtor和AccelDSP等工具已有长足发展，能提供系统建模、算法开发和探索、测试平台的自动生成、设计验证和调试以及HDL的生成和仿真。无论您更偏好于使用VHDL、Verilog、C/C++、MATLAB、Simulink、HDL还是其任意组合，XlremeDSP工具都能提供快速、高效的手段，让您自如地驾驭FPGA的强大功能。