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FPGA的DSP性能分析
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摘要: FPGA在高性能數(shù)字信號處理領域越來越受關注,如無線基站。在這些應用中,F(xiàn)PGAs通常被用來和DSP處理器并行工作。有更多的選擇當然是好的,但這也意味著系統(tǒng)設計師需要一個確切的FPGAs及高端DSP信號處理器性能參數(shù)圖。不幸的是,常用的參數(shù)圖在這種情況下都是不可靠的。例如,由于數(shù)字信號處理應用程序主要依賴于乘法累加器(MAC)操作,DSP處理器供應商和FPGA供應商通常將MACs每秒最高運轉(zhuǎn)速度作為數(shù)字信號處理器性能好壞最簡單的評判方式。但僅僅通過MAC吞吐量來預測數(shù)字信號處理性能是有失公平的,對FPGA和DSP也一樣。這里有幾個原因。MAC計算出來的FPGA性能指數(shù)總是假設硬連線的數(shù)字信號處理部件是在其最高時鐘速率運行的。在實踐中,典型的FPGA設計將采用較低的速度。另一方面,使用硬連線原理并不是在FPGA上執(zhí)行實現(xiàn)MAC的唯一方法;另外MAC吞吐量可以通過使用可編程邏輯資源和分布式算法來實現(xiàn)。此外,并不是所有的信號處理算法都采用MAC密集型。例如,Viterbi譯碼,是電信應用中的一個關鍵的DSP算法,并沒有用到MAC系統(tǒng)。另一種用來評估信號處理性能的辦法,是使用普通的DSP功能(如FIR濾波器)。但是,
關鍵詞: FPGA DSP MAC
Abstract:
Key words :

  FPGA在高性能數(shù)字信號處理領域越來越受關注,如無線基站。在這些應用中, FPGAs通常被用來和DSP處理器并行工作。有更多的選擇當然是好的,但這也意味著系統(tǒng)設計師需要一個確切的FPGAs及高端DSP信號處理器性能參數(shù)圖。不幸的是,常用的參數(shù)圖在這種情況下都是不可靠的。

  例如,由于數(shù)字信號處理應用程序主要依賴于乘法累加器( MAC )操作, DSP處理器供應商和FPGA供應商通常將MACs每秒最高運轉(zhuǎn)速度作為數(shù)字信號處理器性能好壞最簡單的評判方式。但僅僅通過MAC吞吐量來預測數(shù)字信號處理性能是有失公平的,對FPGA和DSP也一樣。這里有幾個原因。

  MAC計算出來的FPGA性能指數(shù)總是假設硬連線的數(shù)字信號處理部件是在其最高時鐘速率運行的。在實踐中,典型的FPGA設計將采用較低的速度。另一方面,使用硬連線原理并不是在FPGA上執(zhí)行實現(xiàn)MAC的唯一方法;另外MAC吞吐量可以通過使用可編程邏輯資源和分布式算法來實現(xiàn)。此外,并不是所有的信號處理算法都采用MAC密集型。例如,Viterbi譯碼,是電信應用中的一個關鍵的DSP算法,并沒有用到MAC系統(tǒng)。

  另一種用來評估信號處理性能的辦法,是使用普通的DSP功能(如FIR濾波器) 。但是,這種辦法也有缺點。其中一個問題是,每個供應商通常使用不同的執(zhí)行方式來執(zhí)行這些功能,也許是使用不同的數(shù)據(jù)寬度、不同的算法或不同的執(zhí)行參數(shù)(如延遲)。這意味著,從不同的供應商得出的結論一般都沒有可比性。此外,小的內(nèi)核功能通常不能作為有效的FPGA基準,因為在完整的FPGA應用中執(zhí)行一個功能的方法往往是完全不同于你單獨執(zhí)行的功能。 (相對于處理器,這些小基準通常在預測總體的DSP應用程序性能時表現(xiàn)不錯。 )此外,經(jīng)過處理器或FPGA供應商執(zhí)行的基準往往缺乏獨立的核查,因此工程師很難對幾種設備作出比較。

  幾年前BDTI公司就意識到建立獨立性是日益迫切需要的,確切來說,面向數(shù)字信號處理應用采用蘋果對蘋果的方式來比較FPGA和處理器。 (見側欄:什么是BDTI ?)為了滿足這一需要, BDTI開發(fā)出一種新的面向應用的基準, BDTI通訊基準( OFDM )? ,這是基于正交頻分復用( OFDM )接收器。

  最近BDTI用BDTI通訊基準( OFDM )來評估一些新的高性能FPGAs和DSP處理器。整套的標準測試結果和分析,現(xiàn)刊載于BDTI的報告“DSP的FPGAs實現(xiàn):第二版”。圖1顯示樣品歸一化,賽靈思SX25和典型的高性能DSP處理器的低成本結果。

  

BDTI公司的標準測試結果 www.elecfans.com

 

  正如該圖所示, BDTI公司的標準測試結果提供了一個戲劇性的證明,在高性能DSP應用中使用FPGAs有潛在的成本優(yōu)勢——基于這一基準,SX25比一般的高性能DSP處理器更符合成本效益,而且不止一個數(shù)量級。

  設計人員還需要了解所選擇的處理引擎,將如何影響它們的發(fā)展流程、實施工作和系統(tǒng)設計。出于這個原因, BDTI的報告探討了質(zhì)的因素,該因素影響決定是否使用一個FPGA ,數(shù)字信號處理,或兩者兼施,并提供指導如何作出明智的選擇。該報告強調(diào)的關鍵開放性問題,這將影響FPGA在高端的DSP應用的長期成功,如FPGA的能量效率和FPGAs的新高層次合成工具的效率。

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