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FPGA 应用文章
DSP+FPGA实时信号处理系统
摘要:简要叙述了常用的信号处理系统的类型与处理机
结构,介绍了正逐步得到广泛应用的DSP+FPGA处理机结
构,在此基础上提出了一种实时信号处理的线性流水阵列,并举
例说明了该结构的具体实现,最后分析说明了此结构的优越性。
关键词:实时信号处理 处理机结构 线性流水阵列
实时信号处理系统要求必须具有处理大数据量的能力,
以保证系统的实时性;其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有
较严格的要求。实时信号处理算法中经常用到对图象的求和、求
差运算,二维梯度运算,图象分割及区域特征提取等不同层次、
不同种类的处理。其中有的运算本身结构比较简单,但是数据量
大,计算速度要求高;有些处理对速度并没有特殊的要求,但计
算方式和控制结构比较复杂,难以用纯硬件实现。因此,实时信
号处理系统是对运算速度要求高、运算种类多的综合性信息处理
系统。
1 信号处理系统的类型与常用处理机结构
根据信号处理系统在构成、处理能力以及计算问题到硬
件结构映射方法的不同,将现代信号处理系统分为三大类:
·指令集结构(ISA)系统。在由各种微处理器、D
SP处理器或专用指令集处理器等组成的信号处理系统中,都需
要通过系统中的处理器所提供的指令系统(或微代码)来描述各
种算法,并在指令部件的控制下完成对各种可计算问题的求解。
·硬连线结构系统。主要是指由专用集成电路(ASI
C)构成的系统,其基本特征是功能固定、通常用于完成特定的
算法,这种系统适合于实现功能固定和数据结构明确的计算问
题。不足之处主要在于:设计周期长、成本高,且没有可编程性,
可扩展性差。
·可重构系统。基本特征是系统中有一个或多个可重构
器件(如FPGA),可重构处理器之间或可重构处理器与IS
A结构处理器之间通过互连结构构成一个完整的计算系统。
从系统信号处理系统的构成方式来看,常用的处理机结
构有下面几种:单指令流单数据流(SISD)、单指令流多数
据流(SIMD)、多指令流多数据流(MIMD)。
·SISD结构通常由一个处理器和一个存贮器组成,
它通过执行单一的指令流对单一的数据流进行操作,指令按顺序
读取,数据在每一时刻也只能读取一个。弱点是单片处理器处理
能力有限,同时,这种结构也没有发挥数据处理中的并行性潜力,
所以在实时系统或高速系统中,很少采用SISD结构。
· SIMD结构系统由一个控制器、多个处理器、多个
存贮模块和一个互连网络组成。所有“活动的”处理器在同一时
刻执行同一条指令,但每个处理器执行这条指令时所用的数据是
从它本身的存储模块中读取的。对操作种类多的算法,当要求存
取全局数据或对于不同的数据要求做不同的处理时,它是无法独
立胜任的。另外,SIMD 一般都要求有较多的处理单元和极
高的I/O吞吐率,如果系统中没有足够多的适合SIMD 处
理的任务,采用SIMD 是不合算的。
· MIMD结构就是通常所指的多处理机,典型的M
IMD系统由多台处理机、多个存储模块和一个互连网络组成,
每台处理机执行自己的指令,操作数也是各取各的。MIMD结
构中每个处理器都可以单独编程,因而这种结构的可编程能力是
最强的。但由于要用大量的硬件资源解决可编程问题,硬件利用
率不高。
2 DSP+ASIC结构
随着大规模可编程器件的发展,采用DSP+ASIC
结构的信号处理系统显示出了其优越性,正逐步得到重视。与通
用集成电路相比,ASIC芯片具有体积小、重量轻、功耗低、
可靠性高等几个方面的优势,而且在大批量应用时,可降低成本。
现场可编程门阵列(FPGA)是在专用ASIC的基
础上发展出来的,它克服了专用ASIC不够灵活的缺点。与其
他中小规模集成电路相比,其优点主要在于它有很强的灵活性,
即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置,对电路的修改和维
护很方便。目前,FPGA的容量已经跨过了百万门级,使得F
PGA成为解决系统级设计的重要选择方案之一。
DSP+FPGA结构最大的特点是结构灵活,有较强
的通用性,适于模块化设计,从而能够提高算法效率;同时其开
发周期较短,系统易于维护和扩展,适合于实时信号处理。
实时信号处理系统中,低层的信号预处理算法处理的数
据量大,对处理速度的要求高,但运算结构相对比较简单,适于
用FPGA进行硬件实现,这样能同时兼顾速度及灵活性。高层
处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少,但算法的控制
结构复杂,适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的
DSP芯片来实现。
3 线性流水阵列结构
在我们的工作中,设计并实现了一种实时信号处理结构。
它采用模块化设计和线性流水阵列结构(图1)。
这种线性流水阵列结构具有如下特点:
·接口简单。各处理单元(PU)之间采用统一的外部
接口。
·易于扩充和维护。各个PU的内部结构完全相同,而
且外部接口统一,所以系统很容易根据需要进行硬件的配置和扩
充。当某个模块出现故障时,也易于更换。
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