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基于FPGA的异构可重配置DSP平台
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2017-11-06
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视频、影像和电信市场的标准推动了异构可重配置DSP硬件平台的使用。在本文中这些平台包括DSP处理器和FPGA，它们提供的现成硬件解决方案可以解决视频、影像和电信设计中的重大难题，同时又不失差异化设计所需的足够的可定制性。
市场研究公司Forward Concepts 2005年发表的一则调查报告称，选择处理器和FPGA的主要标准不是器件本身，而是开发它们的工具。这一概念对于包含FPGA和DSP处理器的平台亦应成立。
在DSP处理器和FPGA之间，传统的DSP开发者通常选择前者，因为设计流程是已知的，而异构系统的优势则难于评价。可重新配置的硬件平台限制了硬件自由度，设计流程因此而具有较高的自动化程度。这种自动化消除了设计的复杂性，从而在DSP设计界进一步推广了硬件解决方案的优势。
DSP硬件平台的优点
FPGA和DSP处理器具有截然不同的架构。在一种器件上非常有效的算法，放在另一种器件上却可能效率非常低。如果目标应用要求大量的并行处理或最大的多通道流量，那么单纯基于DSP处理器的硬件系统就可能需要更大的面积、成本或功耗。一个FPGA协处理器仅在一个器件上就能提供多达550个并行乘法和累加运算，从而以较少的器件和较低的功耗为许多应用提供同样的性能（如图1所示）。
图1：基于FPGA的DSP。
尽管FPGA在处理大量并行数据方面出类拔萃，但对于定期系数更新、决策控制任务或高速串行数学运算这类任务来说，它们的优化程度比不上处理器。此时FPGA和DSP处理器的结合为许多应用提供了制胜的解决方案。
例如，对于采用模式识别技术的智能摄像机来说，异构可重配置DSP平台就是理想的选择。FPGA的并行处理能力非常适用于图像分割和特征提取，而视频和影像DSP处理器则更适合统计模式分类等数学密集型任务。异构系统可以更好地利用流水线和并行处理，这对于获得高帧速率和低延迟来说至关重要。
基于异构平台的设计流程的优点
基于异构平台的设计流程把单独处理器和FPGA设计流程采用的设计自动化概念扩展到整个平台。基于平台设计的基本原则是剔除基于硬件系统和基于软件系统的“中间件”。这样就可以让缺乏或完全没有FPGA设计经验的DSP设计者能够评估和利用FPGA协处理器的性能、成本和功耗优势。
基于平台的设计流程应能自动生成内存映射、软件接口的头文件和驱动程序文件以及硬件的接口和中断逻辑。整体系统的改动对单个软件和硬件组件的影响有限（见图2）。通过这种自动化，开发者个人不必再掌握设计FPGA硬件、DSP处理器应用代码以及接口逻辑和软件所需的庞杂技术。
图2：软硬件接口生成
设计FPGA协处理器
任何给定的技术中都有多种方法可以实现信号处理算法。算法步骤常常受到目标硬件的影响。当目标是异构DSP硬件平台时，需要分两步选择实现方法。你必须首先选择最合适的硬件器件，然后再确定哪种实现方法适合该器件。
在可重新配置的DSP硬件平台上，处理器将作为主处理单元并且控制FPGA。而FPGA则用作协处理器（数据传入DSP处理器进行同步，然后传出），或者用作预处理器或后处理器（数据从高速接口传入）。FPGA的最佳用法取决于系统数据速率、格式和运行参数。
像德州仪器公司的DSP工具包Code Composer Studio就含代码分析器，用来识别可以下载到FPGA的软件“热点”。20%应用代码占用80%可用处理器MIPS的情况并不罕见。
在将FPGA与硬件平台上独立的DSP处理器连接时需要一个接口。可重新配置的DSP平台通常能支持较多通用接口（如德州仪器公司的16/32/64位Tic6x DSP扩展存储器接口，适用于系统控制和协处理任务）和较多高速串行接口（如SRIO或视频接口，用于预处理和后处理操作）。
系统中加入FPGA协处理器后，软件实现就将由算法描述转变为数据传递与函数控制。对于应用软件开发者来说，FPGA协处理器将显示为一个硬件加速器，可以通过函数调用对其进行访问。
市场研究公司Forward Concepts 2005年发表的一则调查报告称，选择处理器和FPGA的主要标准不是器件本身，而是开发它们的工具。这一概念对于包含FPGA和DSP处理器的平台亦应成立。
在DSP处理器和FPGA之间，传统的DSP开发者通常选择前者，因为设计流程是已知的，而异构系统的优势则难于评价。可重新配置的硬件平台限制了硬件自由度，设计流程因此而具有较高的自动化程度。这种自动化消除了设计的复杂性，从而在DSP设计界进一步推广了硬件解决方案的优势。
DSP硬件平台的优点
FPGA和DSP处理器具有截然不同的架构。在一种器件上非常有效的算法，放在另一种器件上却可能效率非常低。如果目标应用要求大量的并行处理或最大的多通道流量，那么单纯基于DSP处理器的硬件系统就可能需要更大的面积、成本或功耗。一个FPGA协处理器仅在一个器件上就能提供多达550个并行乘法和累加运算，从而以较少的器件和较低的功耗为许多应用提供同样的性能（如图1所示）。
图1：基于FPGA的DSP。
尽管FPGA在处理大量并行数据方面出类拔萃，但对于定期系数更新、决策控制任务或高速串行数学运算这类任务来说，它们的优化程度比不上处理器。此时FPGA和DSP处理器的结合为许多应用提供了制胜的解决方案。
例如，对于采用模式识别技术的智能摄像机来说，异构可重配置DSP平台就是理想的选择。FPGA的并行处理能力非常适用于图像分割和特征提取，而视频和影像DSP处理器则更适合统计模式分类等数学密集型任务。异构系统可以更好地利用流水线和并行处理，这对于获得高帧速率和低延迟来说至关重要。
基于异构平台的设计流程的优点
基于异构平台的设计流程把单独处理器和FPGA设计流程采用的设计自动化概念扩展到整个平台。基于平台设计的基本原则是剔除基于硬件系统和基于软件系统的“中间件”。这样就可以让缺乏或完全没有FPGA设计经验的DSP设计者能够评估和利用FPGA协处理器的性能、成本和功耗优势。
基于平台的设计流程应能自动生成内存映射、软件接口的头文件和驱动程序文件以及硬件的接口和中断逻辑。整体系统的改动对单个软件和硬件组件的影响有限（见图2）。通过这种自动化，开发者个人不必再掌握设计FPGA硬件、DSP处理器应用代码以及接口逻辑和软件所需的庞杂技术。
图2：软硬件接口生成
设计FPGA协处理器
任何给定的技术中都有多种方法可以实现信号处理算法。算法步骤常常受到目标硬件的影响。当目标是异构DSP硬件平台时，需要分两步选择实现方法。你必须首先选择最合适的硬件器件，然后再确定哪种实现方法适合该器件。
在可重新配置的DSP硬件平台上，处理器将作为主处理单元并且控制FPGA。而FPGA则用作协处理器（数据传入DSP处理器进行同步，然后传出），或者用作预处理器或后处理器（数据从高速接口传入）。FPGA的最佳用法取决于系统数据速率、格式和运行参数。
像德州仪器公司的DSP工具包Code Composer Studio就含代码分析器，用来识别可以下载到FPGA的软件“热点”。20%应用代码占用80%可用处理器MIPS的情况并不罕见。
在将FPGA与硬件平台上独立的DSP处理器连接时需要一个接口。可重新配置的DSP平台通常能支持较多通用接口（如德州仪器公司的16/32/64位Tic6x DSP扩展存储器接口，适用于系统控制和协处理任务）和较多高速串行接口（如SRIO或视频接口，用于预处理和后处理操作）。
系统中加入FPGA协处理器后，软件实现就将由算法描述转变为数据传递与函数控制。对于应用软件开发者来说，FPGA协处理器将显示为一个硬件加速器，可以通过函数调用对其进行访问。
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