基于FPGA外圍支持的DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜述

摘 要：經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)信息化，我們的生活充斥著高科技電子產(chǎn)品。如今對電子設(shè)備更加快速精確運(yùn)算的能力的需求與日俱增；而數(shù)字信號(hào)運(yùn)算相對于模擬信號(hào)處理的天然優(yōu)越性就是其快速精確可靠。由此催生出來了專用用于數(shù)字信號(hào)處理的DSP芯片，在其結(jié)合了可編程的FPGA器件作為外圍擴(kuò)展電路后，更加使其用于數(shù)字信號(hào)處理的特性發(fā)揮的淋漓盡致。

關(guān)鍵詞：DSP芯片 FPGA 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

一、DSP技術(shù)概述

“DSP”是一個(gè)隨著信息科學(xué)和計(jì)算技術(shù)的蓬勃發(fā)展而逐漸被人們廣為討論和一度追捧的熱詞，它的概念早已浸透到了電子信息、通信、無線電、電路與系統(tǒng)等眾多高科技領(lǐng)域。DSP是“數(shù)字信號(hào)處理器”（Digital Signal Processor）的簡稱，即DSP芯片，這是一種專門為進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算而開發(fā)研制的一類微處理器，是進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)所用的一類凸顯其“高速穩(wěn)定”特點(diǎn)的專用硬件微處理器。日常生活中我們總是將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的硬件芯片都混稱作DSP，但是不影響我們的理解，因?yàn)閮烧呤遣豢煞指畹慕y(tǒng)一整體，前者作為后者的技術(shù)支持和理論依據(jù)而存在，后者作為前者的技術(shù)實(shí)現(xiàn)和物理體現(xiàn)充斥在我們的電子產(chǎn)品中。

二、DSP技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來源于其本質(zhì)，即對所需進(jìn)行處理的一切信號(hào)進(jìn)行數(shù)值上的運(yùn)算，幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)無不與此相關(guān)。相比于最早應(yīng)用的且更容易為人理解的模擬信號(hào)處理方式，數(shù)字信號(hào)處理的流程顯得更為曲折和繁多，下面我們就來探尋數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

1.高度靈活。數(shù)字信號(hào)處理的高度靈活特點(diǎn)是基于其“數(shù)字”的本質(zhì)：處理的直接對象（輸入信號(hào)）是數(shù)據(jù)，中間所進(jìn)行的運(yùn)算操作也是進(jìn)行數(shù)字的代數(shù)分析，得出的結(jié)果（輸出信號(hào)）也是數(shù)字。既然所依據(jù)的和所處理的都是數(shù)字信號(hào)，那么所設(shè)計(jì)構(gòu)成的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的性能便是由參數(shù)決定，升級數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的功能、提升數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的精度必然是依據(jù)這些可以人為設(shè)定的參數(shù)，這樣的系統(tǒng)相比于那些依靠固定電器元件的連接而實(shí)現(xiàn)對模擬信號(hào)的直接處理有了更大的靈活性，高度靈活也使得數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)更加具有適應(yīng)性，可以應(yīng)對不同環(huán)境、不同用戶、不同工作要求，這些也僅僅是改變一些軟件參數(shù)，不用改變固有的電氣連接設(shè)置。

2.可靠耐用。同樣是由于數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于數(shù)值運(yùn)算，并不是模擬信號(hào)的電氣元件的模擬輸出，故而只要數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的相關(guān)寄存器的參數(shù)保持對應(yīng)環(huán)境所需要的數(shù)值不變，那么DSP芯片便可以穩(wěn)定的按照編寫好的程序運(yùn)行而不發(fā)生紊亂對處理過程產(chǎn)生意想不到的結(jié)果，與之明顯對比的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)會(huì)由于電路元件連接斷裂或者器件老化問題出現(xiàn)不可靠的問題。

3.高度集成。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的原理本質(zhì)不是基于電氣元件的物理連接來達(dá)到對信號(hào)的處理，而是通常利用邏輯門單元處理邏輯狀態(tài)，將任何的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)時(shí)，由于減少了體積和眾多的模擬器件，故而數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)具有天然的規(guī)范統(tǒng)一性，即可以大規(guī)模生產(chǎn)、高密度的集成在同一電路芯片上的目的。同時(shí)更是由于引入基于FPGA器件的外圍支持的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)而使得不僅僅是核心微型化，連原來體積龐大的外圍支持電路也變得迷你。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等專用處理設(shè)備，在數(shù)字信號(hào)處理過程中具有抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、效率高、能耗低等突出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。如電視技術(shù)的發(fā)展，從模擬電視到數(shù)字高清、衛(wèi)星直播，電視的質(zhì)量、容量、時(shí)效性等性能都發(fā)生了質(zhì)的變化，這些都是先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與集成電路技術(shù)飛速發(fā)展的結(jié)果。

三、DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)

數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)所完成的任務(wù)就是對來自上一級的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行規(guī)定的處理，這一任務(wù)的實(shí)現(xiàn)既是我們發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理相比于模擬信號(hào)處理的優(yōu)勢，又是我們運(yùn)用創(chuàng)造性思維將復(fù)雜轉(zhuǎn)化為簡單的具體體現(xiàn)。DSP技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)的方法由以下幾種，但都是基于DSP的數(shù)值運(yùn)算的本質(zhì)所得出的。

1.軟件編程。軟件實(shí)現(xiàn)方式是按照我們研究的算法和理論通過編程的方式在通用計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)值運(yùn)算——數(shù)字信號(hào)處理，此種方法并沒有性能優(yōu)良的專門用來進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算的物理器件支持故而適用于對速度、精度要求不高的領(lǐng)域，而且運(yùn)算的結(jié)果的可靠性往往依賴通用計(jì)算機(jī)的性能。但是軟件實(shí)現(xiàn)方式的靈活性、可適應(yīng)性是優(yōu)越于其它方式的，不需要涉及固有器件的連接方式，僅僅是軟件內(nèi)容的修改，參數(shù)的設(shè)定就可以達(dá)到我們的要求，通常廣泛的利用在研究領(lǐng)域中進(jìn)行相關(guān)的仿真驗(yàn)證。

2.硬件連接。硬件實(shí)現(xiàn)方式是按照已經(jīng)相對成熟的設(shè)計(jì)好的硬件電路，利用相關(guān)器件進(jìn)行實(shí)際的物理連接，在此設(shè)備置出的輸入端輸入欲處理的數(shù)字信號(hào)，直接在輸出端得到符合要求的信號(hào)。因?yàn)檫@種方式是基于固定的器件，所以免去了繁雜的軟件編程的痛苦，又由于信號(hào)自然地在電路流程中順序執(zhí)行，因此實(shí)時(shí)處理，速度快，適用于那些對速度要求高的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。同時(shí)，它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，固定好的電路器件焊接好后難以進(jìn)行后期重組升級，因此不夠靈活，難以移植，適合于模式固定的工業(yè)控制領(lǐng)域。

3.專用硬件上軟件編程。隨著科技進(jìn)步和信息產(chǎn)業(yè)的升級發(fā)展，原有的在通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的模式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對運(yùn)算速度、精度的要求，而相關(guān)利用硬件實(shí)現(xiàn)的方式又不能滿足升級更新需要的靈活性，一成不變絕對不能為這個(gè)為日新月異的時(shí)代所接受。因此催生出了專門用于數(shù)字信號(hào)處理的硬件芯片——DSP芯片。專用芯片區(qū)別于通用計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以專心做運(yùn)算，同時(shí)配有專門的軟件實(shí)現(xiàn)語言，增加了此種實(shí)現(xiàn)方法的靈活性，因此專用硬件上軟件編程實(shí)現(xiàn)結(jié)合了上述兩種實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，既提高了速度又增加了可移植擴(kuò)展性。

四、FPGA概述

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列。它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它的出現(xiàn)是為了解決專用硬件芯片制作的高度集成電路中存在的難以靈活適應(yīng)的難題，一定程度上，綜合了硬件連接實(shí)現(xiàn)方式帶來的運(yùn)算高速實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)又克服了其自身難以擴(kuò)展的難題。其實(shí)早就有將FPGA用于數(shù)字信號(hào)處理的嘗試，如賽靈思公司（Xilinx）攜手Eutecus公司在2008年慕尼黑國際電子元件博覽會(huì)上展示了業(yè)內(nèi)首個(gè)單片F(xiàn)PGA上的全面視頻分析套件。這便是將單片上的FPGA用于數(shù)字信號(hào)處理從而實(shí)現(xiàn)圖形圖像處理的商業(yè)范例。為了發(fā)揮硬件的功效，外圍硬件電路設(shè)計(jì)可以根據(jù)需要通過FPGA器件內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就是將我們原來的DSP的外圍電路都用FPGA內(nèi)部資源統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，而后核心——DSP和外圍電路綜合體——FPGA都被嵌入在了一個(gè)“大的芯片”里。這樣一個(gè)出廠后的DSP-FPGA的連接體芯片可以按照不同的設(shè)計(jì)要求通過編程來實(shí)現(xiàn)，省去了大量的手動(dòng)拆卸電路器件的工作。這種交換是用復(fù)雜的編程工作來換不斷簡化的手工勞動(dòng)，立足于如今數(shù)字化的信息社會(huì)，這種付出的代價(jià)是值得的，也是我們理應(yīng)不斷探索發(fā)掘的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪劍鋒，宋鳳林，黃劭剛. 基于DSP-FPGA的永磁電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015，（06）：96-100.

[2]Xilinx攜手Eutecus展示可編程嵌入式視頻分析平臺(tái)[J]. 電視技術(shù)，2008，（12）：91.

作者簡介：王瑞東（1996—）男。民族：漢，河北張家口人。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生，目前從事電子信息工程專業(yè)的學(xué)習(xí)。齊婷婷（1995—）女。民族：漢，河北張家口人。河北師范大學(xué)本科生，目前從事數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)習(xí)。