基于FPGA設計DSP的實(shí)踐與改進(jìn)

當設計的系統需要對數字信號進(jìn)行處理時(shí)，常采用通用 DSP（Digital Signal Process）處理器，這樣的設計方案通用性好，且還有各種較為成熟的 DSP算法可以參考。但是，這類(lèi)方案通常是雙核設計，即采用通用控制器（MCU）加上通用 DSP處理器實(shí)現，在實(shí)現系統時(shí)開(kāi)發(fā)的復雜程度、難度都較大，也難以滿(mǎn)足定制特殊處理的需要。為了解決這些問(wèn)題，人們開(kāi)始尋求新的設計方案，基于通用處理器加上FPGA（大規?？删庨T(mén)陣列）的架構方案逐漸成為主流，在新的方案中通用控制器完成控制和管理功能，專(zhuān)用的數字信號處理和組合邏輯功能由 FPGA實(shí)現，使得設計開(kāi)銷(xiāo)與復雜程度明顯降低。

1 現行設計流程的不足

使用“MCU＋FPGA”架構方案的開(kāi)發(fā)流程如圖 1所示 [1]。系統的設計之初是先由系統結構設計小組制定出系統模型方案，并確定模型仿真正確之后將系統結構的設計方案提交給FPGA設計人員，并依據系統模型用硬件描述語(yǔ)言創(chuàng )建系統同時(shí)創(chuàng )建測試平臺，比較系統級仿真結果與模型設計是否相符，當不相符時(shí)則需要進(jìn)行修改，并重新進(jìn)行仿真驗證。在這種流程的開(kāi)發(fā)中必定會(huì )存在很多的迭代與間歇。

分析其原因在于系統結構設計人員與 FPGA設計人員的工作有重復與制約性。二者的工作同樣是進(jìn)行系統設計，并且都要進(jìn)行仿真，只不過(guò)前者是進(jìn)行系統的軟件仿真，后者進(jìn)行系統的硬件仿真。另外系統的建立需要幾位工程師的協(xié)同工作。如果當 FPGA設計人員驗證出系統設計有誤時(shí)，還要回轉給系統結構設計人員等待修改完再重新進(jìn)行硬件系統設計與仿真。

2 設計流程的改進(jìn)

2.1 EDA設計工具

1) MATLAB的 Simulink環(huán)境

MATLAB是 MathWorks公司開(kāi)發(fā)的功能強大的數學(xué)分析工具。并且被廣泛應用于科學(xué)計算和工程計算中[2]。Simulink是基于 MATLAB平臺推出的一個(gè)強大的動(dòng)態(tài)系統仿真環(huán)境。它以圖形化模式進(jìn)行系統建模仿真，可以快速完成系統的設計。并且具有強大的代數、微分等模型系統的求解器[3]。 2) DSP Builder

DSP Builder是 Altera公司開(kāi)發(fā)了基于 Simulink開(kāi)發(fā)的 DSP設計工具。在 Simulink中作為一個(gè)工具箱出現。這樣使得用 FPGA設計DSP系統完全可以通過(guò) Simulink的圖形化界面進(jìn)行，只要簡(jiǎn)單地進(jìn)行 DSP Builder工具箱的模塊調用即可。從而使得一個(gè)復雜的電子系統設計變得相當容易而且直觀(guān)。同時(shí)加速了 FPGA實(shí)現DSP 的開(kāi)發(fā)流程 [4]。

2.2 改進(jìn)開(kāi)發(fā)流程

采用上述 EDA設計工具使得在系統在設計階段，由系統工程師負責系統的模型設計，并且在軟件的輔助下，進(jìn)行硬件描述語(yǔ)言的代碼自動(dòng)生成，最終可以下載到 FPGA中檢驗設計效果。即將系統結構設計人員與 FPGA設計人員的工作合并從而改進(jìn)的設計流程。如圖 2所示。

設計流程的開(kāi)始是系統結構設計人員基于 Simulink使用 DSP Builder工具箱提供的模塊建立系統模型。工具箱中的模塊涵蓋了算術(shù)和存儲功能，并且對其技術(shù)參數、數據格式、數據類(lèi)型和總線(xiàn)寬度等屬性進(jìn)行設置。系統模型設計完成后就進(jìn)入仿真環(huán)節。這是基于系統的算法級仿真，設計者甚至不用關(guān)心目標硬件系統的屬性。如果仿真結果沒(méi)有得到預期設計的結果，可以很快通過(guò)修改模型進(jìn)行調整。當仿真結束后使用 Signal Compiler模塊進(jìn)行系統模型的 Simulink模型文件（.mdl文件）到硬件描述語(yǔ)言的轉換。這個(gè)過(guò)程將自動(dòng)生成硬件描述語(yǔ)言的代碼。之后通過(guò)綜合以后產(chǎn)生出原子級網(wǎng)表文件（底層電路描述文件）。然后調用 Quartus II 的編譯器生成可以下載的門(mén)級網(wǎng)表文件，最后下載到 FPGA上就實(shí)現了 DSP系統的硬件化過(guò)程。操作流程如圖 3所示。