流水线技术在基于FPGA的DSP运算中的应用

2 基于FPGA实现DSP流水线设计中应注意的其他问题

2．1 流水线设计方法的选择

流水线设计可分为原理图和VHDL两种基本方法。

如前所述，用原理图输入法设计时，为提高设计效率，应充分利用带有LPM_PIPELINE的LPM模块，并利用QuartusII(提供了40多种LPM函数)编译器给出的LPM PIPELINE最佳数值(即最佳流水线级数)，设定最佳LPM_PIPEINE值。

在无合适的I PM模块可用时，需要用VHDL作为设计输入。

流水线技术的实质就是在适当的地方加入寄存器，将前面的运算结果或输入数据暂存，并在下一个时钟到来时，将寄存值作为后一级运算的输入。因此在用VHDL描述流水线时，只需对不含流水线的运算器描述代码作适当改写，施加必要的设计约束即可实现。一般通过在进程中加入WAIT语句或IF_THEN语句来测试敏感信号边沿，实现寄存器或锁存器。

如使用WAIT语句，常用的描述形式为：

PROCESS

BEGIN

wait until clk’event and clk=’1’； (上升沿触发)

reg＜=x；

END PROCESS；

其中的x是指输入到所加流水线寄存器reg中的数据。

使用IF_THEN语句，常用描述方式为：

IF(clk’event and clk=’1’) THEN…

另外，用VHDL设计输入时也可以利用Altera所提供的LPM函数，但必须在设计实体前使LPM库可现，即加入以下语句：

LIBRARY lpm；

USE lpm．lpm_components．ALL；

2．2 流水线的首次延时和寄存器的触发时间

对图1所示系统进行延时分析，图中组合逻辑的延迟包括两级，合理设计的流水线结构中，其延迟时间应大致相等，设为2Tpd，插入每级寄存器组的触发时间为Tco。因此，从输入到输出总的等待时延为：TDl=2(Tpd+Tco)，称为流水线设计的首次延时(First Latency)。对于连续的运算，由于加上寄存器组后，每级计算后的中间结果都能暂时保存，下一个时钟到来时，可以直接参与下一级逻辑运算，无需等待从系统的输入端传来数据。因此，第二个结果及以后的运算结果的获得只需要一个时钟周期，等待的时延为：TD2=Tpd+TCO。

可见，流水线设计的首次延时与流水线正常延时相比要长得多。所以在选择是否采用流水线技术时，要分析DSP运算的频率。当需要进行连续运算(即流水线一直是满负荷)时，采用流水线可以大大提高数据吞吐率；但如果只是偶尔需要加、乘运算，由于首次延时大于非流水线方式下的pin to pin延时，流水线应用效果变差，而且还牺牲了额外的芯片资源，所以不推荐使用流水线。在FPGA／CPLD中，器件的延时Tpd要比寄存器的触发时间TCO长得多，一般分析流水线吞吐延时可以忽略TCO。但是在高速运算场合或流水线技术较多时(如视频信号处理或无线通信中的数据处理)，TCO与Tpd相比已不可忽略，必须仔细选择流水线的级数，防止TCO的影响造成流水线的瓶颈。

2．3 嵌入式存储器块资源的充分利用

在FPGA器件中，嵌入式存储器块(Embedded Memory)是为支持各种存储器应用和DSP应用提供的专门资源。如Altera公司FLEX10K系列器件提供了3个嵌入式阵列块EAB，每个EAB提供可灵活设置的2048位RAM，Cyclone系列提供了数十个M4K资源，每个M4K提供4608位RAM，可单独使用，也可组合使用。使用EAB或M4K构建运算器如乘法器，实质是构成乘法查找表，其运算速度比采用LPM的乘法器速度更快，只是由于资源有限，只能实现小型乘法器。如能把基于嵌入式阵列块的小型乘法器和流水线技术相结合，则能够实现运算量和速度的进一步提高。

2．4 控制流水线和数据流水线的划分

由于数字信号处理系统复杂性的不断提高，在利用流水线技术实现DSP运算设计时，还有一个需要考虑的问题就是控制流水线和数据流水线的划分问题。如在高速数据采集与处理系统中，采样数据的处理主要涉及DSP运算，可以归入数据流水线。各输入通道传感器与信号调理电路的选通控制、模数转换、数据缓冲与传送、数据运算控制则需要主控芯片完成，如图2所示。高速主控芯片可以选用FPGA器件，采用流水线技术，将数据采集与处理过程中的通道选择、模数转换、数据缓冲与发送、数据运算四部分的控制过程设计为四级流水线进程，以减少数据采集与处理的平均作业时间，实现高速率的数据采集。主控芯片的流水线技术可以归入控制流水线范畴。



3 结论

通过实验对比，验证了利用流水线技术可以实现基于FPGA器件的高速DSP运算。在具体运算器设计中要通过综合过程，比较和优选流水线级数以满足速度和资源优化的需要。DSP系统在进行流水线设计时要根据运算频率明确用否流水线，合理划分控制流水线和数据流水线，还要注意合理选用原理图和VHDL描述，充分利用带有LPM_PIPELINE的LPM和EAB(M4K)等资源，最大限度提高系统数据吞吐率和设计效率。