利用 Virtex-5 SXT 的高性能 DSP 解決方案

　　二十多年來(lái)，FPGA 為世人提供了最靈活、適應性極強、快速的設計環(huán)境。早期的 DSP 設計人員發(fā)現，可將一種可再編程的門(mén)海用于數字信號處理。如果把內置到 FPGA 架構中的乘法器、加法器和累加單元結合起來(lái)，就可以利用大規模并行計算實(shí)現有效的濾波器算法。

　　在未加工頻率性能方面的損失，通過(guò)并行計算得到了彌補，而且得遠大于失，可謂“失之東隅，收之桑榆”;由此獲得的 DSP 帶寬完全可與替代方案媲美。隨著(zhù)時(shí)間的推移，乘法器和加法器的實(shí)施越來(lái)越高效。1998 年，Xilinx 順理成章推出了第一個(gè)集成于 Virtex™-II FPGA 系列產(chǎn)品中的嵌入式乘法器。Xilinx® Virtex-II 和 Virtex-II Pro 系列產(chǎn)品深得人心，推動(dòng)基于 FPGA 的 DSP 更上層樓，打破了每秒十億次 MAC 運算的壁障。

　　在數字通訊、軍事、國防、視頻和圖像市場(chǎng)需求的助推下，Xilinx 進(jìn)一步做出調整，成功應對了一系列獨特挑戰，使極大規模并行實(shí)施方式跨上又一個(gè)新臺階。隨著(zhù)乘法器和加法器性能和數量的增長(cháng)，對功耗進(jìn)行管理也變得越來(lái)越困難。

　　Xilinx 的工程師們設計出了 DSP48 Slice，使這一難題迎刃而解。DSP48 Slice是一種超低功耗、高性能、全方位的數字信號處理元件，可方便地實(shí)現級聯(lián)，而不占用任何 FPGA 架構資源。此元件在 Virtex-5 器件中得到進(jìn)一步加強，并重新命名為 DSP48E Slice，能支持更高的精度、SIMD(單指令多數據)操作、集成模式檢測電路和邏輯單元。

　　對快速數據輸入和系數存儲器的需求促使 Xilinx 構建起一個(gè)數字信息處理平臺，其中的 DSP48E Slice 含有率之大前所未見(jiàn)，并且擁有極其充裕的 Block RAM 和分布式 RAM。作為畫(huà)龍點(diǎn)睛之筆，Xilinx 在此平臺中使用了運行速度高達 3.125 Gbps 的集成高速串行通道，在芯片上移入和移出數據變得更為快捷。風(fēng)云際會(huì )，這些元件組合在一起，Virtex-5 SXT 平臺由此應運而生。

　　Virtex-5 SXT 引擎 – DSP48E Slice

　　圖 1 – Virtex-5 FPGA 中 DSP48E Slice 的結構圖

　　想要理解 FPGA 中數字信號處理的演變過(guò)程，必須回顧一下 DSP48E Slice(見(jiàn)圖 1)，及其設計的三個(gè)主要方面。

　　集成乘法器和第二階段。利用集成的二級加法器/減法器/累加器擴展乘法器的運算?，F在，在單獨一個(gè) DSP48E Slice 中，就可以執行最常見(jiàn)的 DSP 運算組合了。

　　緊縮實(shí)施。為了提高性能、降低功耗，各個(gè) DSP48E Slice 被設計成獨立元件，然后通過(guò)接口像積木塊一樣連接到一起，而每一個(gè) DSP48E Slice 都包含獨立于 FPGA 架構的專(zhuān)用路徑和緩沖。

　　全方位定制設計。Xilinx 很早就確定，要實(shí)現高性能和低功耗，一個(gè)按照最新工藝尺寸度身打造的全方位定制設計是必不可少的。Xilinx 設計團隊與 Arithmetica 通力協(xié)作，將乘法器和加法器電路 MathIP 庫加以集成，進(jìn)一步提高了效率。

　　以這種設計為依托，DSP48E Slice 的實(shí)施在性能和低功耗效率方面達到了前所未有的水平。Virtex-5 器件中的 DSP48E Slice 分別以高速 550 MHz、中速 500 MHz 和低速 450 MHz 運行。無(wú)論您單獨使用一個(gè) DSP48E Slice 還是將所有 640 個(gè) DSP48E Slice 匯集到最大的 Virtex-5 SXT 器件中，都可以達到這一性能(使用專(zhuān)用的級聯(lián)邏輯實(shí)現每秒 3520 億次乘法累積運算)。而且，實(shí)現這一令人嘆為觀(guān)止的性能，僅僅使用了 DSP48E Slice，完全沒(méi)有消耗邏輯或 FPGA 路徑資源。

　　這種專(zhuān)用的級聯(lián)邏輯意味著(zhù)能耗的計算是基于每一個(gè) DSP48E Slice 的，也即其運行速度和輸入的翻轉率。單個(gè) DSP48E Slice 的實(shí)測典型功耗為 1.38 mW/100 MHz。不難算出，假定 Virtex-5 SX95T 器件中所有 640 個(gè) Slice 均以 550 MHz 運行，而翻轉率為通常的 38%，則所有 DSP48E Slice 的總體動(dòng)態(tài)功耗為 4.92W。

　　低功耗、高性能設計技術(shù)

　　為了充分利用獨特的 Virtex-5 SXT 架構進(jìn)行數字信號處理，建議遵循如下的簡(jiǎn)易指南：

　　實(shí)施能最大化使用 DSP48E Slice 的濾波器算法。每一個(gè) 25 x 18 位的 DSP48E Slice 都等同于 500 個(gè)以上可編程邏輯 Slice，功耗為同等邏輯實(shí)施的 1/10，單獨或鏈接運行速度高達 550 MHz。

　　利用 DSP48E Slice 的所有功能。每一個(gè) DSP48E Slice 都可配置成獨立的 25 x 18 乘法器，一個(gè) 25 x 18 位乘法器兼加法器/減法器/累加器，或者一個(gè) 48 x 48 位加法器或減法器。每一個(gè) DSP48E Slice 都支持 SIMD 運行以及對稱(chēng)或收斂圓整。

　　實(shí)施定點(diǎn)或浮點(diǎn)運算。DSP48E Slice 不僅對于定點(diǎn) FIR、FFT 或復雜的過(guò)濾器運算而言是理想的產(chǎn)品，25 x 18 的輸入大小和級聯(lián)路徑還使我們可以使用兩個(gè) DSP48E Slice 來(lái)實(shí)現高效的 24 x 24 無(wú)符號浮點(diǎn)運算。

　　在數字信號應用中使用 DSP48E Slice

　　Virtex-5 SXT 平臺中 DSP48E Slice、Block RAM、邏輯和數千兆位級收發(fā)器的獨特結合，為 DSP 過(guò)濾器的應用提供了高成本效益、高性能、低功耗的解決方案。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，讓我們看看 Virtex-4 SX 和 Virtex-5 SXT 器件平臺中無(wú)線(xiàn)卡的應用，對比一下兩種情況下的功耗差別。

　　WiMAX 數字前端 (DFE) 集成了以下內容：數字上變頻 (DUC) /數字下變頻 (DDC)、振幅因數縮小 (CFR) 和自動(dòng)增益控制 (AGC)。本設計中要求的過(guò)濾功能正好與一個(gè) Virtex-4 SX25 FPGA 或一個(gè) Virtex-5 SX35T FPGA 所能提供的 DSP48E Slice 相匹配。本設計運行頻率為 276 MHz，消耗 Virtex-4 SX25 FPGA 中 73% 的 DSP48 資源(128 個(gè)中的 95 個(gè))，或者 Virtex-5 SX35T FPGA 中 48% 的 DSP48E 資源(196 個(gè)中的 95 個(gè))。

　　盡管單看 WiMAX DFE 方案的表現和用于其實(shí)施的資源已令人驚嘆，真正堪稱(chēng)一絕的還是其功耗效率。本設計主要使用 DSP48 或者 DSP48E Slice，但也消耗 Block RAM 和邏輯。表 1 對這些方案進(jìn)行了對比，并展示由 Virtex-4 到 Virtex-5 器件的實(shí)測功耗和降低水平。

　　表 1 – 真實(shí)應用情況下的實(shí)測功耗

　　結論

　　對數字信號處理的要求在不斷提高，提供可擴展高性能 DSP 的呼聲日益響亮，因此，在每秒幾百 GMAC 甚至更高的水平上管理功耗的難題也愈見(jiàn)急迫。Xilinx Virtex-5 SXT FPGA 平臺提供了獨特的單芯片解決方案，充分利用大規模并行計算達到超高性能，同時(shí)將功耗降到最低。欲了解 Xilinx DSP 解決方案詳情，請訪(fǎng)問(wèn)www.xilinx.com/cn/dsp。

　　作者：Brent Przybus Xilinx 公司 高級產(chǎn)品部 高級營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理