（通信与信息系统专业论文）基于dsp的信号处理板的研制.pdf

摘要 摘要 随着人类认识的不断深入和发展，对信号处理机的要求也就会变得越来越高。 这些要求基本上体现在大运算量和实时性这一对矛盾的解决上。本课题正是为解 决这一矛盾而做的一个通用数字信号处理平台。 本论文首先对本信号处理板的设计之初的方案进行了分析和设计。这主要是 因为它是后续具体设计的总体思路，同时它也反映了本课题要求。方案的设计还 需考虑到器件的选择。因为不同器件也会可能引起方案的不同。本课题处理器采 用世界d s p 领导企业之一的a d i 公司目前处理能力最好，性能最好的浮点 d s p - t i g e r s h a r c 系列的t s 2 0 2 ( 引脚与t s 2 0 1 完全兼容) 。同时采用世界可编 程芯片著名厂商a l t 啪生产的s t r a t i x 系列的e p l s 2 0 f 7 8 0 ( 可以用e p i s 2 5 f 7 $ 0 、 e p l s 3 0 f 7 8 0 或e p i s 4 0 f 7 8 0 代替) 来实现接口转换。本处理板中还加入了一个d d r s d r a m 内存条，主要是考虑到实际应用中可能需要大容量缓存。除此之外，本论 文还对本课题采用的c o m p a c t p c i - 6 u 板结构进行了适当说明。 方案确定后，本论文还对硬件设计作了较详细的说明和分析。这部分主要是 对电原理图的重要地方和需要注意的地方进行重点阐述，包括d s p 、f p g a 、d d r s d r a m 内存条接口电路、p c i 接口电路、电源、板级互连等部分。这些设计均需 要在对所采用器件和相关协议有较深了解的基础上才能进行。这是设计的具体实 现阶段。 硬件设计完后主要是调试和f p g a 接口仿真了，本论文对硬件调试的步骤和 注意点均进行了详细的说明，这部分是整个设计的关键一环，它反映了设计的最 终结果与成败。仿真部分主要是对三种接口：d s p 、d d rs d r a m 、p c i 进行f p g a 设计，这中间涉及一些协议，是f p g a 设计的关键部分。论文中给出了一部分仿 真波形图并进行了适当说明。 总之，本论文对课题设计的整个过程进行了较为详细的说明。相信这些对于 其它硬件设计具有一定的参考价值。 关键词：d s p ，f p g a ，d d rs d r a m ，c p c i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h es o c i e t y ，t h e r ea r em o r en e w t h i n g sh a v i n gb e e nf o u n d w h i c hl e tu st ob em o r ed i f f i c u l tt ok n o wt h e m a o ft h ed i 伍c u l t i e sf o c u so nt h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nm a s sa l g o r i t h ma n dr e a l t i m ep r o c e s s i n g m yt a s ki st od e s i g na h i g hp e r f o r m a n c es i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r mi no r d e rt os o l v e i t t h es c h e m ei st h em o s ti m p o r t a n tb e c a u s ei ti st h er e f l e c t i o no ft h ew h o l ed e s i g n a n dt h er e q u i r e m e n to ft h ed i s s e r t a t i o n b e s i d e s ，t h em a t e r i a l sa d o p t e dc a na f f e c tt h e s c h e m e d s pi c si st s 2 0 2w h i c ha r ec o m p a t i b l ew i t ht s 2 0 1a n dt h e ya r et h en e w e s t t i g e r s h a r cs e r i e sd s pi c sd e s i g n e db yt h ew o r l df a m o u sd s pc o m p a n y - a n a l o g d e v i c ei n c f p g a ( e p l s 2 0 f 7 8 i sa l s ou s e dt or e a l i z ei n t e r f a c ec o n v e r s i o n e p l $ 2 0 f 7 8 0 c 7i st h ep r o d u c to ft h ew o r l dl e a d i n gp r o g r a m m i n gl o g i cd e v i c e s c o r p o m f i o n - a l t e m t h e s 衄es e r i e s p r o d u c t s ：e p l s 2 5 f 7 8 0 e p l $ 3 0 f 7 8 0 o r e p l s 4 0 f 7 8 0c a nr e p l a c ei t d d rs d r a mm e m o r yb a n ki su s e da st h em a s sb u f f e ri n s o m ea p p l i c a t i o n s c o m p a c t p c i 6 u b o a r d i s a d o p t e d , b e c a u s e o f i t sr e l i a b i l i t y f o l l o w e da b o v e , t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm u c hc o n t e n ta b o u tt h eh a n 量w a 佗d e s i g n w h i c hi n c l u d ed s e f p g a , d d rs d r a mm e m o r yb a n ki n t e r f a c ec i r c u l t , p c l p o w e r c i r c u i t , b o a r d - l e v e li n t e r c o n n e c t i o nd e s i g n t h i sp a r tp u t sm u c he m p h a s i so nk e yc i r c u i t s m a n yo fw h i c hr e q u i r eu st oh a v ed e e p l yk n o w n t h ec o m p o n e n t sa d o p t e da n di n v o l v e d s p e c i f i c a t i o n s a f t e rh a r d w a r ed e s i g n i n g , i ti sd v b u g g i n ga n ds i m u l a t i o n t h er e s u l to fh a r d w a r e d e b u g g i n g i sac r i t i c a l p r o c e s sb e c a u s e i td e c i d e ss u c c e s so rf a i l u r eo ft h e & s i g n s i m u l a t i o nm a i n l y r e a l i z e sd s p , p c l d d rs d r a mi n t e r f a c e sa n di n t e r - c o m m u n i c a t i o nw h i c hi st h ep r i m a r yw o r kf o rf p g a d e s i g n a b o v ea l l , t h i sd i s s e r t a t i o nh a sg i v e nd e t a i l e dp r e s e n t a t i o no ft h ew h o l ed e s i g n w h i c hi sh e l p f u lf o ro t h e r st od e s i g nan e wh a r d w a r es y s t e m k e yw o r d s ：d s p ，f p g a ，d d rs d r a m ，c p c i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 虢型m 魄如睁r 月哆日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：工印6 年 月吖日 第一章绪论 1 1 课题背景及意义【1 l 闭 第一章绪论 随着社会的不断发展和进步，越来越多的数据量需要得到实时处理，如雷达、 图像、通信及网络。而且一个系统需要满足性能的同时，还要满足体积要求，小 而精巧的系统总是受人欢迎的。回想世界上最初的计算机有一自j 屋那么大，如今 的笔记本电脑一只手就可以提走。很明显一个系统过于笨重，在实际中可能根本 无法使用。因此，设计人员不得不采用比以前具有更高性能的i c 和更优的方案来 设计系统。集成电路的高速发展为当前新的要求提供了重要的硬件丌发基础：各 种e d a 和集成开发环境也为新系统的设计提供了重要的软件开发条件。一方面 d s p 、可编程逻辑器件芯片和存储芯片集成度不断提高、速度不断加快、性能越来 越稳定，这些极大地促进了数字信号处理技术，也使其在数字信号处理的应用领 域得到了极大的拓展；另一方面，电子系统集成化程度的提高，不仅可使系统的 体积变小、重量减轻、功耗和成本降低，更重要的是可使系统的可靠性大大地提 高。 1 9 8 0 年，1 f 1 公司推出了世界上第一块数字信号处理器( d s p ) ，从而开创了d s p 发展的先河。经过二十多年的发展，d s p 应用领域r 渐宽广，从军事雷达系统到 消费类电器，可以说无处不在。如交换机、路由器、手机，i p 电话、智能天线 d b f 、软件无线电、雷达系统的脉冲压缩和杂波抑制、声纳、自动测试系统，医 疗诊断设备、消费类电子设各等等，应用范围不胜枚举。其中通信领域的应用大 约占了6 0 的数字信号处理器市场份额。d s p 的市场每年增长大约为3 0 多。现 在，世界上的d s p 有三百多种，其中定点d s p 有两百多种。生产d s p 的公司有 8 0 多家，但实力雄厚的也就四五家，即德州仪器公司、朗讯公司、模拟器件公司、 摩托罗拉公司和大规模集成逻辑公司。德州仪器公司作为d s p 生产商的代表，生 产的品种也多，定点和浮点d s p 大约都占6 0 ，模拟器件公司的定点和浮点d s p 大约分别占1 6 和1 3 ，摩托罗拉公司的定点和浮点d s p 大约分别占7 和1 4 ， 而朗讯公司则主要生产定点d s p ，约占5 。目前，我国d s p 产品主要来自海外。 r n 公司的产品目前大约占有中国d s p 市场的4 4 。其余为模拟器件公司、朗讯公 电子科技大学硕士学佩论文 司、摩托罗拉公司、z s p 公司和n e c 等公司所占有。社会的发展和技术的进步， 已经将d s p 技术从一门很专门的学科，推进成极为活跃并广为人知的前沿技术。 可编程逻辑器件是近几年集成电路中发展最快的产品之一。以f p g a 为代表 的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：可编程逻辑器件从最初的几十个可 利用逻辑单元，发展到现在一二十万逻辑单元。可编程逻辑器件市场从1 9 9 9 年的 2 9 亿美元增长到去年的5 6 亿美元，几乎翻了一番。什么原因使可编程逻辑器件发 展如此之快? 这是由于可编程器件具有一个独特的先天优势：接1 ：3 投计。到目前 为止，有关接口的协议各说是可种各样：p ( 2 i 、p c i - x , v m e 、u s b 、u a r t 、i d e 、 d d r 、l v d s 等等。没有哪块c p u 或d s p 能集成这么多接口协议。而实际应用系 统需要的接口也是各种各样的，这时可编程芯片的优势自然就体现出来了，它绕 过定制集成电路的复杂环节，大大提高了设计的灵活性和开发进度。目前，通信 和网络领域是可编程器件的最大应用市场，这主要是因为通信协议说变就变。随 着半导体工艺的发展，可编程逻辑器件芯片的成本已越来越低，甚至已经可以和 a s c i 芯片相互竞争，这使得可编程逻辑器件的应用领域不断扩大。目前可编程逻 辑器件的发展继续向更高密度，更大容量迈进：内核工作电压也由以前5 v 降到 1 2 v ，甚至可能更低。不仅如此，f g p a 内部其它功能也越来越强大和完善，如加 入d s p 核，r a m 块，l v d s 等接口控制。现在国际各大公司都在积极扩充其i p 库，以优化的资源更好的满足用户的需求，f p g a 已进入”片上可编程系统”( s o p c ) 的新纪元。总的来看，全球p l d f p g a 产品6 0 由a l t e r a 和x i l i n x 提供。可以讲 a l t e r a 和x i l i n x 决定了p l d 技术的发展方向。 集成电路目前仍还按着摩尔定律发展着，每年都会不断有新的或更高性能的 i c 出现。但是不论技术如何发展，对某一个具体应用领域而言，发展也不会有想 像的那么快，因此我们仍有时间来更新我们原有的系统和开发新的系统。本题题 正是为了适应当前新出现的d s p 和f p g a 来设计一个高性能的通用信号处理平台。 说它高性能主要是因为在以前的科研项目中遇到了处理瓶颈和不足之处，有必要 采用具有更高性能的新芯片和设计方案。说它要具有要通用性，是因为如果我们 为每一个不同项目都做一个不同硬件平台，会显得比较费时费力，而且有些高性 能的硬件平台开发周期可能较长，不一定好调试；而且新处理器的汇编语言与原 处理器可能有差别，还可能采用不同的开发环境，则原有的软件代码有些需要重 新设计以适应新的处理器。这对于做一些预研项目显得不划算。根据信号处理的 相通性，如能有一个通用的信号处理板，很多应用均可在其上丌发，这无疑会大 大加快验证步伐。如果后续还需要设计成实际产品，则原有的平台对新硬件的设 2 第一章绪论 计也能提供一个极好的参考。 1 2 国内外发展动态 目前关于d s p 设计的开发板种类数量众多，仅国内至少有几十种以上，采用 的d s p 芯片以t i 公司的2 0 0 0 系列和5 0 0 0 系列最多，a d i 公司的现在也有不少， 主要是a d s p 2 1 x x 系列。这些开发板实现的基本上实现一些如u a r t 、以太口、 u s b 、l c d 等较常用i ，o 功能，一般仅适用于一些要求不高的实时处理场合。它 们在雷达信号处理( 脉冲压缩、杂波抑制等) 、声纳、无线通信( 信道编码、解压、 基带处理等) 、实时图像传输等大多数场合都无法胜任。采用高档d s p 芯片，如 t i 公司的c 6 4 和c 6 7 系列、a d i 公司的s h a r c 和t i g e r s h a r c 系列的开发板在 国内不多，且能开发这些d s p 开发板的国内公司大多与d s p 厂家授意有一定关系。 这不是说国内没多少人想做，其实做的人也不少，他们做更多只考虑自单位使用。 因为它们价格太贵，要卖也只能卖给大型单位和企业，而这些单位和企业基本上 自身也具有开发能力。可以自行设计，不一定要外买开发板，而且外买的丌发板 配套的输入输出接口以及板卡结构未必符合实际项目需要。 不过，采用高档d s p 芯片做开发板拿来卖的国外也有这样的公司，如b i t t w a r e 。 它就是专做a d i 公司的d s p 芯片( s h a r c 和t i g e r s h a r c 系列) 的丌发板。有 p c i 、c p c i 、p c i x 、p c i 0 4 - p l u s 和v m e 等多种板结构，全球销售；有采用8 片 d s p ( t s 2 0 1 ) 做成的开发板，也有采用四片d s p 的。其强劲的开发实力可见一斑。 但是价格奇贵，敢问津的很少。另外，作为d s p 芯片厂家，本身也会提供相应的 开发套件。但是厂家提供套件的主要目的是让使用者了解如何使用其芯片，以便 自行设计，因为它们主要是卖芯片。所以它们提供的开发板可能不能满足实际应 用需要。而且它们的价格可能也不菲。 1 3 本文的主要工作 正是在前面所述的背景下，迫切需要自行设计一个具有高性能的处理板，以 便后续项目的开发。这是一个较为复杂硬件系板的设计。为了解释清楚，便于理 解设计的全过程，本文按如下内容分章分节来阐述： 1 系统结构设计。这一步的重要性是显然的。它是硬件设计之初的第一步， 包括整体设计方案确定、元器件的选型、相关协议的特点和设置。 电子科技大学硕十学位论文 2 硬件设计。主要是一些主要的或关键的电路的设计。这部分较为详细的 介绍了硬件设计的具体内容。 3 调试及f p g a 接口设计。主要是关于硬件做完以后的对硬件环境的接通， 且能拿来使用。最后对c p c i 的驱动开发进行了适当的介绍。 4 第二章系统结构设计 2 1 概述 第二章系统结构设计 本章首先介绍了系统方案的确定。这主要是因为它会影响到器件的选择，同 时一个系统必然会涉及数据传输，因此还会有相关协议需要了解。但反过来，如 果器件不好买或买不到，或有些协议较难实现，又会影响方案的设计。所以系统 结构的设计是一个综合权衡的过程，它即要考虑到满足设计要求，又要考虑到系 统实现的可行性。本课题的要求较高，系统方案的正确设计就显得十分重要。因 此本章对方案的确定、器件的选择和有关协议的具体设置操作都作了较为详细的 说明，其中有些是后续章节参考的重要依据。 2 2 系统方案的确定 大多数高速实时信号处理系统通常采用d s p 芯片和可编程逻辑器件结合的方 法来做数字信号处理算法。d s p 芯片运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强， 主要用于数据量较少但算法的控制结构复杂的数字信号处理算法；可编程逻辑器 件实现运算的速度高、灵活性强，主要用于对处理速度要求高，但运算结构相对 比较简单的数字信号处理，比如信号预处理，接口转换。因此利用d s p 与f p g a 相结合来实现信号处理是一个很好的设计方案嘲。除此之外，课题的设计还应具备 以下几个特点： 1 ) 多片d s p 。以满足大运算量和实时性要求； 2 ) 大容量缓存r a m 。考虑到可能有大量数据需要先输入后进行再处理； 3 ) 带主机接口。以便下载数据和返回结果。 4 ) 有a d 后输入接口。因为输入数据不仅仅只通过主机，还可能是a d 采 样后的数据，而且实际系统用a d 输出数的可能性更大。 5 ) 高可靠性。 为了使这一系统能实现上述要求，需要f g p a 实现接口控制和数据预处理。 因为d s p 支持外接r a m 容量可能有限，故需要把大容量r a m 接于f p g a 。这样 电子科技人学硕士学位论文 也会简化d s p 边软硬设计。另外d s p 片数太多，会给共享总线带来较大负载。当 然d s p 数量太少，在有些应用场合中可能处理不过来，综合考虑觉得本课题选为 4 片d s p 。如果4 片d s p 也处理不过来，怎么办昵? 则需要能用多个相同的处理 板能够拼接成一个更大的信号处理系统，且不能降低原有单个处理板的处理性能。 板与板之间互连不能仅仅是用几根线连起来就可以了，作为一个高性能处理板， 板与板的互连接口应该具备较高的传输带宽，以满足实时性。连接方式最好不要 单一化，因为考虑到通用性。 经过反复考虑，本课题最终采用图2 一l 所示的设计方案。 图2 - 1 系统硬件大致框图 另外，与主机接口常用的是p c i 、u s b 、i e e e l 3 9 4 、网1 2 、串口、并口等。 而本课题设计的主要目的是希望能大量传输数据，速度应选大一些的。计算机并 口最高传输速率大约为1 ma y t c s s ，串口u a r t 的传输率目前最大为 6 趟霜蟛口戈 第二章系统结构设计 1 2 8 k b s ( 1 6 k b s ) ，u s b 2 0 最高传输率按协议为4 8 0 m b p s ，也就是6 0 mb y t c s s 。1 3 9 4 接口的最高传输速率为4 0 0 m b p s ，比u s b 2 0 要慢。而p c i 工作于3 3 m h z 时，3 2 b i t 时，最大传输速率可达1 3 2 mb y t e s s 。显然应采用p c i 接口更易满足要求有高数据 率的应用场合。但现有计算机上的通用p c i 采用金手指插槽形式，防震性不好。 因此应采用c p c i 接口是很理想的。大容量r a m ，现在只有用计算机上的内存条 是最理想的了，而c p c i 板采用直列插入，板与板之间只有2 c m 的间距，对扩展 板上元件高度有一定要求【4 j ，故只有采用笔记本的内存条最为理想，因为其内存条 平行于主板，不像台式机是垂直于主板的。而且以当前笔记本内存条容量、速度、 易购买性来看，选d d rs d r a m 是较合适的。系统大致方案确定后，接下来的便 是器件的具体选型了。器件的f 确选择就显得很重要，只有对所用主要i c 的各个 厂家的特点和其产品i c 本身特点有一个大概了解后才能选出较为理想的i c 来设 计系统。同时本方案还涉及了c p c i 和d d rs d r a m 有关接口协议。就算方案可 行，图2 1 只是一个大致方案，它的更具体的方案只有等器件完全选定后才能确定。 这是因为选用实现同一功能的不同厂家的器件的外围接口可能不一样，从而相关 的外围器件也可能有不一样接法。比如d s p 芯片选用t 1 的，则可用其e m i f 总线 实现4 片d s p 互连；如果采用a d i 公司的，则d s p 互连除了通过总线可实现外， 还可通过链路口来实现。 2 3 d s p 选型 d s p 是本课题的核心部分，d s p 性能好坏直接影响到处理板的处理能力。因 此必须细心选取一款合理的d s p 芯片，并要考虑到可互连性。 2 3 id s p 处理器特点及比较 说到d s p ，很容易让人想到c p u 。长久以来，c p u 一直是英特尔独领风骚， 后来才有a m d 公司崛起与之争霸天下。c p u 的工作速度是越来越快，但为什么 没有取代d s p 呢? 这由它们各自特点决定的：通用处理器( c p u ) 为了满足通用性， 它可要考虑很多因素，要求面面俱到，什么活都能干上一点，不仅仅局限于数字 运算，还要进行多种控制；而数字信号处理器( d s p ) 则主要针对数字运算，并不考 虑那么多控制与管理。而工程中出现的数字形式( 如医疗、电信、雷达、声纳、 助听器、声音、图像、工业控制) 和处理要求( 如乘加，f i r ，f f t ，编解码等运 电子科技大学硕十学位论文 算) 是多样的，常需要专用数字处理i c 来完成，这就是d s p 能够生存和种类多的 理由。d s p 芯片之所以能够比通用处理器( c p u ) 做到快速运算，其原因在于其 内部结构上，d s p 又可分为通用d s p 和专用d s p ，目前大部分d s p 芯片都具有哈 佛结构、多级流水、专用硬件乘法器和特殊的d s p 指令。专用d s p 专用性强，适 用面窄，但在某些运算方面的能力可能很强。 当然，从i c 使用者角度看，一个系统仅有强的运算能力，肯定是不够的。因 为一个完整的系统肯定还需要一些控制以保证运算单元、执行单元、数模单元等 有条不紊的进行。所以我们设计的d s p 处理系统仍然离不开m c u ( 多用 c p l d f p g a 代替) 。显然增加一个m c u 会带来附加成本，也不易缩小体积。因此 d s p 和微处理器的融合是一个大趋势。很多m c u 是低成本的，能很好执行智能 控制任务，但是数字信号处理功能很差。而d s p 的功能正好与之相反。因此，把 d s p 和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这两种功能，将简化设计， 降低功耗和成本，加速产品的开发。像a r m 9 、a r m l 0 系列的嵌入式处理器、a d i 公司推出的b l a c k f i n 处理器等都考虑到了数字运算和控制相结合的情况。 d s p 可分为定点d s p 和浮点d s p 。浮点d s p 的动态范围比定点d s p 大，且 更适合于d s p 的应用场合，且它既支持整数运算又支持实数运算。但是定点d s p 器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省，这对大众市场应用而 言是相当有优势。相比较而言，浮点d s p 能够实现更快速而简便的开发，因此对 开发成本比单位制造成本重要的小规模应用而言，更是最佳的选择。随着外在要 求的不断提高，器件的选择越来越需要能够处理浮点格式数据的d s p 。因此，浮 点d s p 必将是未来发展的重要趋势。 a d i 自推出s h a r c 系列浮点d s p 以来，在浮点d s p 市场取得了重大成功， 之后又推出t i g e r s h a r c 系列d s p ：t s l 0 1 ，t s 2 0 1 ，t s 2 0 2 ，t s 2 0 3 ，大大加强了 其在浮点d s p 市场的地位，其t s 0 2 1 内核作频率可以做到6 0 0 m h z 。m o t o r o l a 和 l u c e n t 已经退出了浮点d s p 市场，而n 更集中在高容量的定点产品，其最快的浮 点d s p 芯片c 6 7 核时钟最高只可运行到3 0 0 m h z 。二十世纪九十年代i b m ( 国际商 用机器公司) 、a p p l e ( 苹果公司) 和m o t o r o l a ( 摩托罗拉) 公司丌发p o w e r p c 芯片成功， 并制造出基于p o w e r p c 的多处理器计算机。采用功能强大的a l t i v e c 向量处理引 擎的p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。p o w e r p cg 4 内核工作频率达 1 g i - i z ，而p o w e r p c6 5 可达2 g h z , 但是其i o 带宽小，内存管理存在较大丌销等不 足严重影响了其综合性能，尤其是多片d s p 互连时，问题更加突出，使得其在大 数据量的实时处理场合有不少缺陷，应该说它更适合数据流量不大，但处理运算 第二章系统结构设计 量较多的场合。且其功耗很大，如( m 产品m p c 7 4 5 5 工作于1 g h z 时功耗典型值 是2 1 3 w , 而a d i 公司的t s l 0 1 全速工作( 3 0 0 m h z ) 功耗典型值是1 9 w ，t s 2 0 1 全速工作时功耗典型值( 6 0 0 m h z ) 是3 w 左右。它现在主要应用于节果计算机的高 性能g 4 g 5 工作站。 a d i 公司的d s p 指令系统使用代数符号来表示算术运算和数据传送，源代码具 有较高的可读性，且不会损坏运行特性。它的指令系统很精简，程序员可以快速 掌握。d s p 的编程方式和高级语言类似，如果用户有高级语言编程的经验，上手较 快。n 公司d s p 的指令系统很丰富，灵活多变，虽然使用时很方便，但是完全掌握 却有一定的困难，这对程序员来说是个不小的难题。它的指令系统有传统的助记 符和代数符号两种方式，程序员可以根据所好任选一种。助记符方式对于习惯了 汇编语言的开发者易于接受，代数符号方式则表达简洁、较为直观、易于理解。 但是，合作完成项目时，往往会由于不同的程序员选择不同的格式而造成麻烦。 解决的方法有两个，一是使用7 n 提供的转换工具，另一是只将两者的o b j 文件链接 调试，但调试时有些不方便。另外，两者的编译环境也有差别。相比较而言，a d i 公司的v i s u a l d s p 比1 r i 的开发界面要友好些。因此t i 的d s p 编程对程序员的要求 较高，必须非常熟悉指令系统，才可以得到高效的程序。性能相近的芯片，t i 比 a d i 要便宜很多。从性价比看，1 r i 占优势。从产品效益看，如果大批量生产，显 然，t i 的芯片更实惠。故对于工厂产品生产而言，多用t i 的，而对于科研所和大学 而言，性能更重要，故多选用a d i 公司的。 2 3 2t s 2 0 2 处理器性能 本课题设计的这一硬件系统，性能比成本更重要。综合考虑后，决定采用a d i 公司的t i g e r s h a r c 系列d s p 芯片t s 2 0 2 ，是因为：1 ) 它能进行浮点处理；2 ) t s 2 0 2 与性能更好的t s 2 0 1 引脚完全兼容0 c a 不须作任何改动就可用于t s 2 0 1 ) ，且汇编指 令代码相同；3 ) 它与t s 2 0 1 代表了当前a d i 公司性能最好的浮点处理d s p 芯片；4 ) 价格相对t s 2 0 1 便宜。5 ) 国内就能够购买。下面是t s 2 0 2 主要性能指标1 5 1 6 ： 1 、内核工作频率是5 0 0 m h z ，最大i o 频频可达1 0 0 m h z ； 2 、集成了1 4 个d m a 控制器，4 个链路口，s d r a m 控制器，4 个可自定义 的f l a g 引脚，两个6 4 b i t 定时器( 及计满输出引脚) ，1 2 m b i t 的内部d r a m ； 3 、2 个计算块( 含2 个浮点a l u 、2 个浮点乘法器和2 个移位寄存器) ，支 持3 2 b i t 或4 0 b i t 浮点运算，8 b i t , 1 6 b i t ，3 2 b i t ，6 4 b i t 定点运算，另外还有2 个整数a l u 9 电子科技大学硕十学位论文 ( 可用于地址计算和指针操作) ； 4 、一个时钟周期可执行多达4 条指令( 1 6 b i t ) ； 5 、支持多处理器无缝连接和总线仲裁机制； 6 、支持11 4 9 i e e e 兼容j t a g 片上仿真及下载； 7 、4 个独立的1 2 8 b i t 宽的内部数据总线，连至1 2 m b i t 的片内d r a m ，从而 可进行4 字( 3 2 b i t 字) 数据和指令访问： 8 、单指令，多数据( s i m d ) 指令集； 9 、每秒可执行1 0 亿次8 0 b i t 的乘加运算或4 0 亿次4 0 b i t 乘加运算； 1 0 、4 个双工l v d s 链路口，理论上单口单向最高可提供5 0 0 m 字节s 的数 据传输率。 图2 2 是t s 2 0 2 处理器内部结构，它有两个浮点a l u 和两个定点a l u ( 地址 产生) 。 m i n t i m i o u u h i l o l l t 9 b u s j t p o m 图2 2t s 2 0 2 处理器内部结构”1 表2 - 1 是我们比较关心的t s 2 0 2 性能； 第二章系统结构设计 表2 - 1t s 2 0 2 运算性能和v o 传输性能 指标速度时钟周期 1 k 点复f f t ( 基2 ) 1 8 8 u s 9 4 1 9 3 2 b i t 6 4 k 点复f f t ( 基2 ) 2 8 m s 1 3 9 7 5 4 4 8 8 【8 8 】矩阵复浮乘法 2 8 u s1 3 9 9 1 6 b i t 2 5 6 点复f f r ( 基2 1 1 9 u s 9 2 8 i o 外部口 l g b v t e “sn a d m a链路口 l g b y t c “s n a 2 4 f p g a 的选择 作为接口器件，f p g a 是起的是一个桥的作用，但是本课题在设计时需考虑的 在实际应用中，f p g a 可能还会对输入数据进行适当的预处理后再把数据发往d s p 或外接设备。 2 4 1 当前各厂家f p g a 特点。1 目前世界上实力最强的f p g a 厂家主要有a l t c r a 、x i l i n x 、l a t t i c e 、a c t e l 、 q u i c k l o g i c ，l u c e n t ，c y p r e s s ，a t m l 等，下面是关于它们各 自产口特点介绍： 1 、a l t e r a ：九十年代发展最快的p l d 公司，销售额在短短几年内先后赶上 l a t t i c e 和x i l i n x ，成为最大可编程逻辑器件供应商之一。产品种类较全，主要有： m a x 3 0 0 0 7 0 0 0 、f e l x 6 k 1 0 k ，a p e x 2 0 k ，a c e x l k 、c y c l o n e ，c y e l o n e l l 、s t r a t i x ， s t m t i x i i 。采用9 0 n t o 的产品s t r a t i x i i 是a l t e r a 公司目前速度最快、规模最大的f p g a 产品。c y c l o n e 、c y c l o n e l i 、s t r a t i x 、s t m t i xi i 均支持d d rs d r a m 接口。其集 成开发工具m 唧l 璐i i 和q u a r t u 8i i 易学易用，非常方便，还可插入第三方的 v i - i d l 综合工具，如：s y n o p s y s 公司的f p g ae x p r e s s ，f p g ac o m p i l e r 及s y p n i c i t y 等。用户可通过q u a r t u si 中的耗电量分析工具p o w e r p l a y 来对整个芯片进行高精 度的耗电分析。a l t e r a 公司一直都在可编程系统级芯片( s o p c ：片上可编程系统) 领域中处于前沿和领先的地位。s o p c 将处理器、存储器、i o 等系统设计需要的 组成集成到一个可编程逻辑器件上，构成一个可编程的s o c 。n i o s 是a l t e r a 公司 开发的可进行s o p c 设计的软核处理器，可以与用户自定义逻辑结合构成s o c 。 2 、x i l i n x ：f p g a 的发明者，产品种类较全，主要有：x c 9 5 0 0 4 0 0 0 、c o o l r u r m e r 、 电子科技人学硕士学位论文 s p a r t n 、v e r t e x 。开发软件为：f o u n d i t i o r t 2 1 。v i r t e x - 4f p g a 是x i l i n x 公司推出 的v i r t e x 系列的采用9 0 h m 的第四代产品。v i r t e x - 4 包括了1 0 0 多项创新技术。x i l i n x 成立了专门的d s p 部门，旨在加强其对d s p 市场的投入。为满足新的d s p 性能 要求，x i l i n x 精心设计了a s m b l 架构的关键单元x 咖e d s p 逻辑片。性能高达 5 0 0 m h z 的x t r e m e d s p 逻辑片构成了种通用粗粒度d s p 架构的基础。这种架构可 高效地以不同方式来扩展器件功能。所有v i r t e x - 4f p g a 都包含x t r e m e d s p 逻辑片。 还成立了嵌入式处理部，其p i c o b l a z e 软内核为实现广泛的嵌入式控制应用提供了 一个成本优化的8 位微控制器架构；m i c r o b l a z e 软内核提供了一个3 2 位通用处理 器架构。 3 、l a t t i c e - v a n t i s ：l a t t i c e 是i s p ( 在线可编程) 技术的发明者，i s p 技术极 大的促进了p l d 产品的发展，8 0 年代和9 0 年代初是其黄金时期。l a t t i c e 中小规 模p l d f p g a 比较有特色，种类齐全，性能不错。 4 、a c t e l ：a e t e l 公司1 9 8 5 年在美国加州组建，1 9 8 8 年推出第一个抗熔断f p g a 产品，它的f p g a 产品被广泛应用于通讯、计算机、工业控制、军事& 航空和其他 电子系统。由于采用了独特的抗熔丝硅体系结构，a c t e l 公司的f p g a 产品具有可 靠性高、抗辐射强、能够在极端环境条件下使用等特点，因而在军品和宇航级上 有绝对优势。其价格较高。 5 、q u i c k l o g i c ，l i l c e n t ，c y p r e ss ，a t m i 等，各有优缺 点，但市场占有率都很不高，尚无法与a 1 t e r a 和x i l i n x 竞 争。 2 4 2s t r a t i x 系列f p g a 性能m 由于本课题需要d d r 内存条接口，这方面a l t e r a 的s t r a t i x 刚好能够满足这一 要求，并提供了专门的d d r - i p 核。这对于加快设计和保证系统稳定运行大有帮助。 故本课题选择了s w a f i x t x 系列的e p l s 2 0 f 7 8 0 来作为d s p 主机接口的桥接芯片， 同时还可设计p c i 时序。没有采用c y c l o n e 是因为它只有支持d d rs d r a m 芯片 颗粒的设计，而不支持含多个d d rs d r a m 芯片颗粒的内存条接口。在本课题方 案确定之时，c y c l o n e l l 和s t m t i xi i 在国内卖的很少( 后面才多起来) ，故当时也没 选。 s t r a t i x 系列产品是2 0 0 2 年a l t e r a 公司推出的基于1 5 v ，o 1 3 1 t m 全铜布线工艺制 造的f p g a 。本课题决定选用a l t e r a 公司的s t r a t i x 系列产品e p l $ 2 0 f 7 8 0 c 7 。这是因 第二二章系统结构设计 为本课题的核心是d s p ，f p g a 主要用来作接口转换和相关控制。一方面，s t r a t i x 本身在一定程度上代表了当前世界上高级f p g a 。它提供了d d r s d r a m 接口和相 应核以及2 0 4 k b 左右内部r a m 。另一方面，选用e p l $ 2 0 f 7 8 0 c 7 可用同系列产品： e p l s 2 5 f 7 8 0 、e p l $ 3 0 f 7 8 0 或e p l s 4 0 f 7 8 0 来代替。s t r a t i x 系列产品特点如下： 1 ) s t r a t i x 系列f p g a 主要包括三种结构单元：l a b 、存储块、d s p 块。l a b 是逻辑阵块( 1 0 9 i ca r r a yb l o c k s ) 的简写。1 个l a b 具有l o 个l e ( 1 0 9 i ce l e m e n t s ) 。 l e 是最小的用户逻辑单元。存储块结构是由m 5 1 2 、m 4 k 、m - r a m 三种存储块 组成。m 5 1 2 可用作单双口r a m 或单口r a m ，且在位宽为1 8 b i t 时可工作于 3 1 8 m h z ；m 4 k 跟m 5 1 2 类似，但它可在2 9 1 m h z 时提供3 6 b r 的数据宽度；m - r a m 可用作双口r a m 、单双口r a m 或单口r a m ，且在位宽为1 4 4 b i t 时可工作于 2 6 9 m h z 。d s p ( d i g i “s i g n a lp r o c e s s i n g ) 块包括硬件乘法器、加法器、减法器、 累加器。每个d s p 块能设计成8 个9 位乘法器，4 个1 8 位乘法器或一个3 6 位乘 法器。d s p 块还包含有1 8 位输入移位寄存器。因此d s p 块可用设计f i r 或i i r 滤 波器。通过优化设计，每个d s p 模块可提供高达2 4 g m a c s 的数据吞吐性能，并 且具有尽可能小的布线拥塞。s t r a t x 系列f p g a 有最多具有7 9 。0 4 0 个l e 、7 m b i t 存储器删和2 2 个d s p 块j 2 ) s t r a t i x 系列器件采用了d i r e c t d r i v e t u 技术和快速连续m u l t i t r a c k t m 互联技 术。m u l t i t r a e k t m 互联技术可以根据走线不同长度进行优化，改善内部模块之间的 互联性能。a l t e r a 公司特有的d i r e c t d r i v