ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ實(shí)時(shí)信號處理系統

摘要：簡(jiǎn)要敘述了常用的信號處理系統的類(lèi)型與處理機結構，介紹了正逐步得到廣泛應用的ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ處理機結構，在此基礎上提出了一種實(shí)時(shí)信號處理的線(xiàn)性流水陣列，并舉例說(shuō)明了該結構的具體實(shí)現，最后分析說(shuō)明了此結構的優(yōu)越性。 關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)信號處理 處理機結構 線(xiàn)性流水陣列 實(shí)時(shí)信號處理系統要求必須具有處理大數據量的能力，以保證系統的實(shí)時(shí)性；其次對系統的體積、功耗、穩定性等也有較嚴格的要求。實(shí)時(shí)信號處理算法中經(jīng)常用到對圖象的求和、求差運算，二維梯度運算，圖象分割及區域特征提取等不同層次、不同種類(lèi)的處理。其中有的運算本身結構比較簡(jiǎn)單，但是數據量大，計算速度要求高；有些處理對速度并沒(méi)有特殊的要求，但計算方式和控制結構比較復雜，難以用純硬件實(shí)現。因此，實(shí)時(shí)信號處理系統是對運算速度要求高、運算種類(lèi)多的綜合性信息處理系統。

１ 信號處理系統的類(lèi)型與常用處理機結構

根據信號處理系統在構成、處理能力以及計算問(wèn)題到硬件結構映射方法的不同，將現代信號處理系統分為三大類(lèi)：

·指令集結構（ＩＳＡ）系統。在由各種微處理器、ＤＳＰ處理器或專(zhuān)用指令集處理器等組成的信號處理系統中，都需要通過(guò)系統中的處理器所提供的指令系統（或微代碼）來(lái)描述各種算法，并在指令部件的控制下完成對各種可計算問(wèn)題的求解。

·硬連線(xiàn)結構系統。主要是指由專(zhuān)用集成電路（ＡＳＩＣ）構成的系統，其基本特征是功能固定、通常用于完成特定的算法，這種系統適合于實(shí)現功能固定和數據結構明確的計算問(wèn)題。不足之處主要在于：設計周期長(cháng)、成本高，且沒(méi)有可編程性，可擴展性差。

·可重構系統?；咎卣魇窍到y中有一個(gè)或多個(gè)可重構器件（如ＦＰＧＡ），可重構處理器之間或可重構處理器與ＩＳＡ結構處理器之間通過(guò)互連結構構成一個(gè)完整的計算系統。

從系統信號處理系統的構成方式來(lái)看，常用的處理機結構有下面幾種：?jiǎn)沃噶盍鲉螖祿鳎ǎ樱桑樱模?、單指令流多數據流（ＳＩＭＤ）、多指令流多數據流（ＭＩＭＤ）?/p>

·ＳＩＳＤ結構通常由一個(gè)處理器和一個(gè)存貯器組成，它通過(guò)執行單一的指令流對單一的數據流進(jìn)行操作，指令按順序讀取，數據在每一時(shí)刻也只能讀取一個(gè)。弱點(diǎn)是單片處理器處理能力有限，同時(shí)，這種結構也沒(méi)有發(fā)揮數據處理中的并行性潛力，所以在實(shí)時(shí)系統或高速系統中，很少采用ＳＩＳＤ結構。

· ＳＩＭＤ結構系統由一個(gè)控制器、多個(gè)處理器、多個(gè)存貯模塊和一個(gè)互連網(wǎng)絡(luò )組成。所有“活動(dòng)的”處理器在同一時(shí)刻執行同一條指令，但每個(gè)處理器執行這條指令時(shí)所用的數據是從它本身的存儲模塊中讀取的。對操作種類(lèi)多的算法，當要求存取全局數據或對于不同的數據要求做不同的處理時(shí)，它是無(wú)法獨立勝任的。另外，ＳＩＭＤ 一般都要求有較多的處理單元和極高的Ｉ／Ｏ吞吐率，如果系統中沒(méi)有足夠多的適合ＳＩＭＤ 處理的任務(wù)，采用ＳＩＭＤ 是不合算的。

· ＭＩＭＤ結構就是通常所指的多處理機，典型的ＭＩＭＤ系統由多臺處理機、多個(gè)存儲模塊和一個(gè)互連網(wǎng)絡(luò )組成，每臺處理機執行自己的指令，操作數也是各取各的。ＭＩＭＤ結構中每個(gè)處理器都可以單獨編程，因而這種結構的可編程能力是最強的。但由于要用大量的硬件資源解決可編程問(wèn)題，硬件利用率不高。

２ ＤＳＰ＋ＡＳＩＣ結構

隨著(zhù)大規?？删幊唐骷陌l(fā)展，采用ＤＳＰ＋ＡＳＩＣ結構的信號處理系統顯示出了其優(yōu)越性，正逐步得到重視。與通用集成電路相比，ＡＳＩＣ芯片具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等幾個(gè)方面的優(yōu)勢，而且在大批量應用時(shí)，可降低成本。

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（ＦＰＧＡ）是在專(zhuān)用ＡＳＩＣ的基礎上發(fā)展出來(lái)的，它克服了專(zhuān)用ＡＳＩＣ不夠靈活的缺點(diǎn)。與其他中小規模集成電路相比，其優(yōu)點(diǎn)主要在于它有很強的靈活性，即其內部的具體邏輯功能可以根據需要配置，對電路的修改和維護很方便。目前，ＦＰＧＡ的容量已經(jīng)跨過(guò)了百萬(wàn)門(mén)級，使得ＦＰＧＡ成為解決系統級設計的重要選擇方案之一。

ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ結構最大的特點(diǎn)是結構靈活，有較強的通用性，適于模塊化設計，從而能夠提高算法效率；同時(shí)其開(kāi)發(fā)周期較短，系統易于維護和擴展，適合于實(shí)時(shí)信號處理。

實(shí)時(shí)信號處理系統中，低層的信號預處理算法處理的數據量大，對處理速度的要求高，但運算結構相對比較簡(jiǎn)單，適于用ＦＰＧＡ進(jìn)行硬件實(shí)現，這樣能同時(shí)兼顧速度及靈活性。高層處理算法的特點(diǎn)是所處理的數據量較低層算法少，但算法的控制結構復雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的ＤＳＰ芯片來(lái)實(shí)現。