基于FPGA的DSP嵌入系統及其在平板顯示器中的應用

前言

用FPGA實(shí)現的嵌入式系統，均是在更大的芯片中嵌入的重復完成特定功能的計算系統，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。例如，消費類(lèi)電子產(chǎn)品中的手機、尋呼機、數字相機、攝像機、錄像機、個(gè)人數字助理等。

當今，以現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)來(lái)實(shí)現可配置的嵌入式系統已越來(lái)越廣泛.其Spartan-3E FPGA成為實(shí)現各種低成本數字消費類(lèi)系統的理想器件。這是從系統對上市時(shí)間的要求、可編程的特性以及集成度等方面考慮有其獨特的優(yōu)勢。即采用90納米工藝生產(chǎn)FPGA器件之后，FPGA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)的應用器件，應用范圍從早期的軍事、通信系統等擴展到低成本消費電子類(lèi)等產(chǎn)品。

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

2、關(guān)于用Spartan-3 FPG來(lái)實(shí)現的DSP嵌入系統

為什么利用Spartan-3 FPGA來(lái)實(shí)現DSP系統，這應首先了解Spartan-3 FPGA特性，即Spadan-3的各種功能及其在實(shí)現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?xún)r(jià)比

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的Spartan-3 FPGA架構，結合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系統門(mén)到5，000，000系統門(mén)，這使得低成本FPGA與的密度范圍得到了前所未有的擴展；326MHz的系統時(shí)鐘率；三路電源干線(xiàn)內核電壓1.2V、I/O電壓1.2~3.3V、輔助設備電壓2.5V.它為高容量，面向用戶(hù)的設備提供了非常低的成本與高性能邏輯方案。

*獨特的交錯排列I/O引腳技術(shù)

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

2.12 獨特的功能

*XCITE技術(shù)(數字控制阻抗技術(shù))使用

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

*選擇RAM分級存儲(即BlockRAM總位數高達1872kb)與擴展內存

Spartan-3 FPGA具有兩種類(lèi)型的內存，可以滿(mǎn)足不同的設計需求，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。

*系統時(shí)鐘管理-具有4個(gè)DCM數字時(shí)鐘管理器

先進(jìn)的時(shí)鐘管理為高性能電路的設計者提供了更大的靈活性和更強的控制能力，見(jiàn)圖1(b)所示。最多四個(gè)數字時(shí)鐘管理器(DCM)，并帶有9個(gè)外部輸出；8個(gè)預設的全球時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )，即8根全局時(shí)鐘線(xiàn)路和豐富的尋址。

*嵌入式乘法器

專(zhuān)用的硅資源允許充分地自定義數據路徑，并獲得最佳DSP性能，見(jiàn)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)制作為輸入并計算輸出36位結果，見(jiàn)圖所示；而專(zhuān)用的進(jìn)位邏輯和高效級聯(lián)，可實(shí)現更多功能。

*SelectIO-超級連接

每個(gè)I/O針腳都支持24個(gè)通用I/O標準中的任意一個(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(shuō)明兼容。

2.15 可以被Xilinx ISE(系統內仿真器)開(kāi)發(fā)系統支持。即綜合、映射、替代和尋址。

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

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算(MAC/s)、優(yōu)秀的高速DSP功能的并行實(shí)現能力、靈活的串聯(lián)架構，可實(shí)現成本/功能需求的最佳組合，見(jiàn)圖所示最大的成本/性能靈活性。預驗證的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獨特的器件結構

Spartan-3系列的結構可由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(zhù)一組按規則排列的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(zhuān)用乘法器有受.。DCM放在BLockRAM的外端。

由上所見(jiàn)， FPGA解決方案的可編程特性降低了新系統設計的內在開(kāi)發(fā)風(fēng)險。由于擁有諸如多個(gè)I/O槽、片上數字時(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)現許多控制/膠合邏輯功能，有效減小了系統的尺寸、復雜度和成本。

2.3 Spartan-3 FPGA來(lái)實(shí)現的DSP嵌入系統

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

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算(MAC/s)、優(yōu)秀的高速DSP功能的并行實(shí)現能力、靈活的串聯(lián)架構，可實(shí)現成本/功能需求的最佳組合，見(jiàn)圖3(a)所示最大的DSP成本/性能靈活性。

預驗證的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應用中，有各種不同FIR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)系數與n個(gè)相應的數據采樣相乘，再對內積求和產(chǎn)生單個(gè)結果。系數數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和不同的方法來(lái)實(shí)現濾波器的功能。

由此可以說(shuō)，因為FPGA是極高并行度的信號處理引擎，能夠滿(mǎn)足算法復雜度不斷增加的應用要求，通過(guò)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可以為高性能的數字信號處理提供理想的解決方案，達到傳統上由ASIC或ASSP完成的高性能信號處理能力?？梢葬槍底滞ㄐ藕鸵曨l圖象處理等應用開(kāi)發(fā)高性能的DSP引擎，也可在可編程DSP系統中作為預處理器或協(xié)處理器等。

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

在復雜算法的數字處理系統中，系統要求的不斷提高和集成規模的不斷擴大，使得系統結構在設計的開(kāi)始階段是不明確的，不可能直接用RTL(寄存器轉移級)設計方法進(jìn)行描述，所以將系統集成到數字芯片中。

采用數字技術(shù)對復雜算法進(jìn)行硬件實(shí)現時(shí)，首先遇到的問(wèn)題是在結構上并沒(méi)有預先的規定，因此需要首先對算法建模和仿真進(jìn)行優(yōu)化。與基于RTL針對結構清晰的設計方法不同，算法設計把焦點(diǎn)從針對結構的細節轉移到對設計的整體要求和行為，在最高的算法層次上考慮如何進(jìn)行設計，對系統的行為描述定義了設計要執行的算法，不涉及或很少涉及實(shí)現細節，因此行為描述比RTL描述要簡(jiǎn)潔的多。

圖3(c)為易用的DSP設計流程所示， 糸統產(chǎn)生器的DSP設計環(huán)境，包含了系統數學(xué)建模、算法優(yōu)化和改進(jìn)、設計校驗和診斷及HDL產(chǎn)生和仿真等。而綜合DSP設計服務(wù)包括DSP設計等級、現埸工程服務(wù)。

3、Spartan-3系列器件在平板顯示器中的應用

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

首先要說(shuō)明的是平板顯示器是新型消費類(lèi)電視中增長(cháng)最快的部分，其市場(chǎng)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)應用中的價(jià)值

Spartan-3 FPGA提供了FPD系統設計人員非常有用的各種功能。包括能夠高效實(shí)現DSP功能的嵌入式乘法器；在實(shí)現流水線(xiàn)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(chǎng)普遍使用的差分I/O標準的內在支持，那Spartan-3芯片功能在平板顯示器(FPD)應用中的價(jià)值是什么，即Spartan-3的各種功能及其在實(shí)現DSP時(shí)的用途。

*Spartan-3芯片功能在平板顯示器(FPD)應用中的價(jià)值：

嵌入式乘法器，能有效實(shí)現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)現多通道功能；

BlockRAM和分布式RAM，為視頻線(xiàn)緩沖器，高速緩存標志存儲器，用于DSP系數的便箋式存儲器、數據包、緩沖器、FIFO；

對RSDS的內置支持，為無(wú)終端電阻的RSDS支持及其它特殊設計考慮之用。

*只有了解FPGA在FPD系統中究竟有是那些典型應用(見(jiàn)圖所示4)，才能將Spartan-3芯片可以以各種方式應用于FPD設計之中。

3.2 FPGA在FPD系統中典型應用分析(由圖所示4可知)：

3.21前端預處理

在數字RGB信號饋入到主圖像處理引擎之前，通常需要進(jìn)行某種預外琿。這種預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(hù)的圖像處理ASIC或ASSP結合使用，一個(gè)普遍用途是在圖像縮放和解交叉過(guò)程中輔助ASSP。

3.22核心處理

盡管核心圖像處埋通常是由標準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)現多種功能?？梢允褂玫哪承?zhuān)項技術(shù)，包括：色空間轉換器、JPEG多媒體數字信號編解碼器、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標準(如RSDS) ，也支持其它單端標準(如SSTL/HSTL) ，因而它可以在這些應用中進(jìn)行使用。

FPGA也可以用于實(shí)現時(shí)序控制單元(TCON，見(jiàn)圖5所示)，來(lái)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數器。Spartan-3架構中的大量觸發(fā)器和內置進(jìn)位鏈可以有效實(shí)現這個(gè)功能。同樣，由于具有充足的差分I/O通道，Spartan-3FPGA成為I/O密集型設計的有效架構。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(lái)驅動(dòng)較大的LCD/等離子體屏幕。

4、結束語(yǔ)

Spartan-3E FPGA成為實(shí)現各種低成本數字消費類(lèi)系統的理想器件.該DSP嵌入式系統具有幾個(gè)共同的特性，即單一功能、軟硬件共存、實(shí)時(shí)反應及嚴緊的限制. 目前Spartan-3E FPGA生產(chǎn)廠(chǎng)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(shuō)明。

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

到目前為止，Spartan-3 FPGA已成功地應用于平板顯示器系統中來(lái)實(shí)現以下功能：

*SD/HD色空間轉換；

*4：4：4 to 4：2：2縮減像素采樣；

*數字RGB到USB讀卡器功能；

*時(shí)序控制和板RSDS驅動(dòng)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，就可以設計出用在大量數字消費品中的可編程邏輯，例如視訊轉接盒、電纜調制解調器、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。