《信号处理系统的FPGA实现》说明如何采用FPGA技术实现DSP系统

dgdz2012

书名：《信号处理系统的FPGA实现》
原书名：FPGA—based Implementation of Signal Processing Systems
出版日期：2017年3月
定价：109元

本书的目的是通过FPGA技术实现DSP中具有挑战性的实例来启发人们；为了这一目的，它主要讲述把DSP算法转换为合适电路结构的高层映射，而不是赘述FPGA的具体优化。其他文献更多侧重于结合基于HDL的设计工具来讲述，而本书把FPGA当成可以开发复杂DSP系统的硬件来讲述。这样，FPGA就成为一个包含复杂资源的异构平台，把软、硬件处理器，专用DSP模块，处理单元通过可编程快速专用连接互联。本书由4个主要部分组成。

第一部分， 即第2~5章讲述了DSP系统和实现的基础知识，帮助进入这些领域做入门引导。第2章从对DSP简单论述开始，涵盖了数字滤波和变换。详述了基本的滤波器结构，自适应滤波器算法。至于变换方面，本章简单讲述了FFT、DCT和离散小波变换(DWT)。同时，讲述了一些在心电图(ECG)的应用实例来说明一些关键知识点，为本书后续的例子做背景铺垫。

第3章重点讲述计算机运算，它在DSP系统实现中很重要。本章从对数字系统的思考与基本运算开始，引出了加法器和乘法器。这些是FPGA核心模块的代表，但主要思考的是二次方根和除法执行电路，因为一些DSP应用中需要这些知识。对其他数的表示也做了简单介绍，即有符号数的表示(SDNR)、对数系统(LNS)、余数系统(RNS)和坐标旋转数字计算机(CORDIC)。但是，因为没有例子使用这些数值系统，所以没有详细讲述。

第4章涵盖了各种实现DSP算法的现有技术。理解其他技术的特点很重要，有助于用户选择最合适的技术。在FPGA技术与其他技术比较中发现区别显著。这些技术包括以ARM处理器与DSP为代表的微处理器技术，主要详细讲述了德州电气TMS320C64 系列。之后介绍了并行机制，包括脉动阵列、单指令多数据(SIMD)及多指令多数据(MIMD)。紧接着讲述了SIMD机制的两个例子，即Imagine处理器和Clearspeed处理器。

在这部分的最后，也就是第5章，详细讲述了商用FPGA，主要集中于两大供应商 Xilinx和Altera的Virtex和Srratix系列FPGA，也讲述了一些Lattice、Atmel和Actel的技术。这一章给出了它们的架构细节、DSP的具体处理能力、存储器结构、时钟网络、互连框架和I/O及外部存储接口。

本书第二部分讲述了三个主要阶段的系统级实现，即从电路架构到具体FPGA系列上的有效实现、从信号流图(SFG)表示创建电路架构，以及来自一个计算表示高级模型的系统级规范和实现方法。在这部分的起始部分，即第6章，从电路架构描述角度讲述了FPGA设计的有效实现。因为这部分内容已有大量文献出版，所以这一章只是综述了现有的有效DSP实现技术，重点讲了分布式算法(DA)，同时详细讲述了别处未讲到的的折减系数乘法器(RCM)。后边讲到的技术对固定参数函数很有用，如固定系数滤波器、DCT等变换。这一章也简要探讨了如存储器实现和延时实现的细节设计问题。

第7章概述了实现快速设计的工具，并用Petri网络和其他计算模型（MoC）的形式讲述了高级嵌入式系统的系统规范。涉及的工具有Gedae、Compaan、ESPAM、Daedalus和Koski。这一章也讲到了FPGA的IP核生成工具，包括Labview FPGA、Synplify DSP、基于C的快速IP核设计工具及MATLAB。

第8章讲述了下一个阶段工作，即DSP算法如何以信号流图（SFG）或者数据流图(DFG)的形式被映射到第6章开头讲述的电路架构中去。这个工作基于由K-K-Parhi撰写的一本优秀教材(《VLSI 数字信号处理系统：设计和实现》，Wiley，1999)，它讲述了大量技术如何被应用到基于VLSI的信号处理系统中。这一章讲述了DFG描述怎么被转换成不同级别的并行和流水线结构，形成最符合应用需求的电路架构。这部分技术以简单的FIR和IIR滤波器为例进行了讲解。

第9章介绍了IRIS工具，开发这一工具主要为了从DSP系统SFG描述和算法及第8章所述的大量特征中提取创建电路架构的过程产物。它用WDF例子进行说明，并展示了系统级设计中分层这个主要问题，提出白盒方法是一个可行的解决途径。这些章节为书中后续章节系统级问题的讲解做了准备。

本书的最后部分，第10章和第12章讲述了设计挑战的第三方面，突出讲述了高级设计。第8章和第9章已经讲述了如何提取DSP功能层来生成FPGA实现，通常被认为是生成DSP IP核的有效方法，是系统部分性能的标志。第10章详细讲述了创建硅IP核的原理，突出了不同的风格，即硬、软和固件风格，阐述了复用设计核心理念，这被认为是缩小设计效率差距的关键方法。IP核的产生已经成为长期与FPGA关联的增长型行业；实际上，以最短的设计时间获得高度有效的FPGA解决方案在使用FPGA实现DSP过程中变得至关重要。第10章讲述了以公司的实践经验为基础的核的产生细节，以及与之伴随的IP核演进历史，并回顾了如何创建可参数化IP核的整个过程，顺便简述了来自Xilinx和Altera的现有FPGA IP核。

沿着高级设计这条主线，第11章讲述了异构FPGA的模块化设计。这一章集中讲述数据流建模这一适合开发DSP系统的平台，介绍了多种风格的数据流，包括了同步数据流、环形的静态数据流、多维的同步数据流。快速综合和优化技术用以由DFG创建有效的嵌入式软件方案，涵盖了多个主题，如图表平衡、群集、代码生成和DFG作用物的可配置性。然后，这章描绘了如何经由白盒概念把流水线IP核包含进来，这里用了两个例子进行说明，即一个标准化的桥形网格滤波器(NLF)例子和一个固定的波束形成器例子。

第12章剖析了创建软的、高度可参数化的RLS滤波器核。这一章开始介绍了自适应波束形成和基于QR识别算法进行波束形成的有效方法。然后，从算法讲述开始，清楚讲述了如何由一系列架构形成单一通用架构。同时，考虑了定点和浮点算法的选择及控制开销等问题。第13章讲述了FPGA实现的关键部分，也是硬件设计的另一关键部分，即低功耗设计。只有在与微处理器比较时，FPGA才是所谓的低功率解决方案，在与相应的ASIC比较时，FPGA实现还存在很大差距。本章开始主要讲述了各种静态和动态功耗源，之后提出了大量的解决方案，首先来减少静态功耗，受限于FPGA的固有属性而减少有限，然后来减少动态功耗，主要通过减少FPGA实现中的开关电容达到目的。本书使用了一个基于FFT的实现来说明在减小功耗中取得的一些收获。

最后，第14章归纳了本书中的主要方法，并考虑了将来可能被采用的FPGA架构。此外，它简述了一些在书中未包括的主题，特别是可重配置系统。通常认为FPGA的一个优势是在启动时可编程，在运行周期期间允许修改。但是值得关注的想法是，动态重配置FPGA，允许在运行期间进行修改，即动态重配置(前边的模式可视为静态重配置)。其优势在于FPGA可以被当成虚拟硬件，利用可用硬件实现远超现有FPGA设备可用容量能够实现的功能。这是一个极具诱惑力的想法，但实际情况限制了其可行性。