Xilinx可编程逻辑器件设计与开发（基础篇）连载24：Spartan

5.1.5 DSP 模块XtremeDSP

为了适应越来越复杂的DSP运算，Virtex-6中嵌入了功能更强大的DSP48E1 SLICE，简化的DSP48E1模块如图5-16所示。

图5-16 简化的DSP48E1模块

DSP48E1兼容Virtex-5的DSP48E，而且在两方面有所增强。

带D寄存器的25位预加器，增加A通道的能力。

在切换乘法（A*B）和加法（A:B）操作时，INMODE控制支持平衡流水线。

图5-16为简化的DSP48E1模块框图，从图中可以看出，算术部分包含一个25位预加器、一个25×18二进制补码乘法器、3个48位的多路复用器，跟随一个48位符号可扩展的加法器/减法器/累加器或者2输入逻辑单元。如果使用了2输入逻辑单元，则此乘法器不能再被使用。

DSP48E1的数据和控制输入连接到算术和逻辑部分。A和B输入通道上有两级流水线寄存器；D和AD（AD为预加器内的中间寄存器）输入通道上有一级流水线寄存器。其他数据和控制输入通道也有一级流水线寄存器。最高操作频率可达600MHz。

大部分情况下，加法器/减法器/逻辑单元的输出是其输入的函数。输入由MUX、进位选择逻辑和乘法器阵列驱动。对应公式如下所示。

Adder/Sub输出= (Z ± (X + Y + CIN))或(-Z + (X + Y + CIN) –1)
DSP48E1的内部结构如图5-17所示，主要由以下几部分组成。

图5-17 DSP48E1内部结构图

一、 输入端口

(1) 输入端口A、B、C和D。

每个DSP48 SLICE有4个输入数据口A、B、C和D，A口30位宽，B口18位宽，C口48位宽，D口25位宽。A口、D口和预加器的逻辑如图5-18所示；B口逻辑如图5-19所示。A口的25位和B口18位数据是25位×18位乘法器输入。每个DSP48E1能完成乘加、乘减等操作。A口和B口可以合并跳过乘法器作为多路选择器X的输入。

A口和B口可以合并成48位宽的数据和48位宽的C口一起实现48位的加法/减法。

DSP48E1 SLICE提供了两个级联数据输入通道（ACIN和BCIN），提供了相邻DSP48E1 SLICE之间的级联输入数据流。级联路径ACIN为30位宽，BCIN为18位宽。A、B、ACIN和BCIN数据通路上有0、1或2级流水线。数据端口寄存器可以通过延时提高时钟频率。属性AREG和BREG用于设置A口和B口的流水线级数。属性ACASCREG和BCASCREG用于设置ACOUT口和BCOUT口级联流水线级数。DSP48E1通过控制多路选择器的控制位设置数据流的通路、寄存器和级联输入。

图5-18 A、D和预加器逻辑

图5-19 B口逻辑

INMODE[3:0]是DSP48E1里新增的控制位，这些位控制A和D输入寄存器与预加器的函数。

48位的C口作为Y和Z多路选择器的输入，实现加法、减法、三输入加/减和逻辑函数。C输入也连到模式识别器上，实现函数取舍。

(2) OPMODE、ALUMODE和CARRYINSEL端口逻辑。

OPMODE、ALUMODE和CARRYINSEL端口逻辑支持输入控制信号的直通或者寄存器输入。通过多路选择器的配置位可以选择直通或通过寄存器。OPMODE、ALUMODE和CARRYINSEL端口逻辑如图5-20所示。

(3) X、Y和Z多路选择器。

OPMODE提供了动态改变DSP48E1功能的方法，OPMODE的控制位对应X、Y和Z多路选择器的输出。这3个多路选择器的输出成为后面加/减器的三个操作数。

图5-20 OPMODE、ALUMODE和CARRYINSEL端口逻辑

(4) ALUMODE输入。

4位ALUMODE控制第二级加/减/逻辑单元的行为，如表5-11所示。

表5-11 ALUMODE控制的DSP操作配置表

(5) 进位输入逻辑。

Virtex-6器件中进位输入逻辑是3位CARRYINSEL信号的函数。输入逻辑见图5-21。所有可能的进位输入在X、Y和Z多路选择器之前“会合”。

图5-21 CARRYINSEL信号逻辑

二、 输出端口

除ACOUT和BCOUT外的所有输出端口通过RSTP复位，CEP使能。ACOUT和BCOUT分别通过RSTA和RSTB复位。DSP48E1输出逻辑如图5-22所示。

图5-22 DSP48E1输出逻辑

(1) 输出端口P。

DSP48E1有一个48位输出端口P，这个输出口能通过PCOUT通路连接（级联）相邻的DSP48E1 SLICE。PCOUT连接到相邻DSP48E的Z多路选择器的输入口（PCIN）。该通路提供两个相邻DSP48E1的输出级联通路。

(2) CARRYCASCOUT和CARRYOUT口。

DSP48E1 SLICE的进位输出为4位宽，通过CARRYOUT输出到FPGA逻辑。CARRYOUT信号通过CARRYCASCOUT和相邻DSP48E1 SLICE级联。实现更大的加法、减法、累加、乘累加函数。

(3) MULTSIGNOUT端口逻辑。

乘法器输出的最高位通过MULTSIGNOUT口级联到下一个DSP48E1 SLICE，仅用于扩展96位的MACC。

(4) PATTERNDETECT和PATTERNBDETECT端口逻辑。

DSP48E1 SLICE的输出增加了一个序列检测器，用于检测P总线是否和指定序列匹配，或者是否和指定序列的取反值相匹配。

(5) 上溢和下溢端口逻辑。

DSP48E1 SLICE利用模式检测器检测P[N]（N从1到46）是否有溢出，当有上溢或下溢发生时，DSP48E1输出OVERFLOW和UNDERFLOW信号。

三、 算术功能

(1) 预加器。

Virtex-6 FPGA DSP模块结构上的又一改变是在A寄存器路径上增加了一个预加器，实现预加或预减等操作。

(2) 乘法器。

Virtex-6 FPGA DSP模块内包含一个二进制补码乘法器，如图5-23所示。二进制补码乘法器的一个输入为25位的二进制补码，另一个为18位的二进制补码，产生43位结果输出。乘法器86位输出包含两个43位部分乘积。乘法器和算法支持17位操作数右移，以对准宽乘法器的部分乘积（并行或顺序乘法）。级联通路作为Z多路选择器的输入，可以和相邻DSP48E1 SLICE的加法器/减法器相连。

将输入操作数的最高位设置成0，则乘法器就能实现无符号算术。

寄存器MREG是乘法器的输出可选流水线。

图5-23 DSP48E1内的乘法器

(3) 加法器/减法器/逻辑单元。

加法器/减法器/逻辑单元的输出是控制信号和输入数据的函数，加法器/减法器的输入由OPMODE和CARRYINSEL控制。ALUMODE设置加法器/减法器实现的功能。因此OPMODE、ALUMODE和CARRYINSEL信号一起设置加法器/减法器或逻辑单元实现的功能。

(4) 2输入逻辑单元。

通过OPMODE和ALUMODE的设置，可以在三输入加法/减法/逻辑单元的第二级实现逻辑函数。2输入逻辑单元配置如表5-12所示。

表5-12 2输入逻辑单元配置

分析DSP48E1结构后，可以理解，DSP48E1不需要使用通用可编程逻辑构造资源，可支持将多个DSP48E1逻辑片连接起来完成更宽输入的数字功能、DSP滤波器和复杂算法。这可以带来更低的功耗、更高的性能和更高的芯片资源使用效率。

Xilinx工具提供了便捷的DSP48的使用工具，用户可以在HDL中例化原语，或者调用CoreGen配置所需参数，设置相应功能，工具会自动配置OPMODE及内部寄存器。