（信号与信息处理专业论文）fir滤波器的设计以及fpga的硬件实现.pdf

摘要 在数字信号处理领域，f i r 滤波器被广泛的应用于语音处理、 图像处理、通信系统、测量系统等方面。可编程逻辑器件( f p g a ) i 由 于在速度和集成度方面的优势，所以越来越多的电子系统采用f p g a 来实现数字滤波。 本文首先介绍了f p g a 的原理，然后介绍了窗函数法和频率抽 样法设计f i r 数字滤波器的原理。使用m a t l a b 设计软件分别用上述 的两种方法分别实现了低通、带通、高通滤波器，并且对窗函数中的 k a i s e r 窗设计方法和频率抽样法中的过渡带抽样点的频率抽样法做 了探讨。 最终本文采用过渡带抽样点的频率抽样法使用m a t l a b 软件实 现了一个1 7 一t a p 的高通f i r 数字滤波器，在深入研究了具体的f i r 滤波器的硬件结构，以及相关的优化方法后，使用v e r i l o g 语言实现 了这个f i r 滤波器，最后在a l t e r a 公司a p e x 2 0 k e 器件上综合 布局布线得到了可以下载的网表文件，后仿真的结果表明，我们的设 计功能正确可以满足设计要求。为了让设计的结果和过程更加直观可 信，本文采用了m a t l a b 和v e r i l o g 做了联合仿真，最终设计的电路 通过了仿真测试，可以达到相应的设计指标。 本设计采用了a p e x 2 0 k e 系列器件来实现f i r 高通数字滤 波器，文中详细的介绍了该硬件实现的具体设计过程。另外，借助 m a t l a b 利用各种设计方法手段，完成了软件的实现。 关键词：f i r现场可编程逻辑门阵列硬件描述语言频率 抽样窗函数 a b s t r a c t t h ef i n i t er e s p o n s e ( f i r ) f i l t e rh a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) s y s t e m s t o p e r f o r m s o u n dm a n i p u l a t i o n ，i m a g em a n i p u l a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dm e a s u r es y s t e me t c m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i c s y s t e m s a r ei n c l i n e dt o p e r f o r md i g i t a l f i l t e r u s i n gf i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) b e c a u s eo fi t s p r e d o m i n a n c e 。f i e l do f 1 a n di n t e g r a t i o n i n s o e e da n d i i nt h i sa r t i c l e ，f i r s tw ei n t r o d u c et h e t h e o r yo ff p g a w ea l s oe x p l a i n e dh o wt ou s ew i n d o wf u n c t i o na n d f r e q u e n c ys a m p l i n gm e t h o d t od e s i g naf i r u s i n gt h e s et w o m e t h o d ，w ei m p l e m e n tl o w p a s sf i l t e r , b a n d p a s sf i l t e ra n d h i g h p a s sf i l t e r w ea l s od i s c u s sk a i s e rw i n d o w sm e t h o da n d f r e q u e n c ys a m p l i n gm e t h o dw i t ha d d i t i o n a ls a m p l ep o i n t si n t r a n s i t i o np a r t u s i n gm a t l a bw ed e s i g na17t a ph i g h - - p a s sf i rf i l t e r w eu s ef r e q u e n c y p i i n gm e t h o d t h e nw e a l i z ethitwe u s el r e q u e n c ys a m p l i n gm e t h o d1h e nw er e a l i z et h i s f i rf i l t e ri nv e r i l o gl a n g u a g e f i n a l l y , w es y n t h e t i z et h i s d e s i g ni na l t e r a a p e x 2 0 k ed e v i c e w eu s eq u a r t u st op l a c e a n dr o u t ea n dg e tan e t l i s tf i l e t h er e s u l to fb a c k - s i m u l a t i o n s h o w so u rf i rf i l t e ri sr i g h t i no r d e rt oc a r r yo u tt h ec o u r s e a n dc o n c l u s i o no ft h e d e s i g n m o r e e v i d e n t l y , ih a v e a s s o c i a t e ds i m u l a t e dt h ed e s i g nw i t hu s i n gm a t l a ba n d v e r i l , , g w h i c h t h et e s to fverilog w h i c hp a s s e dt h et e s to ls i m u l a t i o n ， i nt h i sa r t i c l e ，ad e s i g no fc i r c u i tu s i n ga p e x 2 0 k e d e v i c et op e r f o r mf i rf i l t e ri si n t r o d u c e d ，t h ew h o l e p r o c e s s o ft h ed e s i g nw i t hh a r d w a r ei si n t r o d u c e d o t h e r w i s e ，t h e w h o l e p r o c e s s o ft h e d e s i g n w i t hm a t l a bi sa l s o i n t r o d u c e d k e y w o r d ：f i rf p g ah d ll a n g u a g ef r e q u e n c ys a m p l i n g w i n d o wf u n c t i o n 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰 写成硕士学位论文“f i r 滤波器的设计与f p g a 硬件实现”除论文中已经注明引 用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 表明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者繇枭、旗 2 0 0 4 年6 月3 0 日 第一章概述 1 1 数字信号处理技术的发展概况及特点 数字信号处理是从2 0 世纪6 0 年代发展起来的，当时，主要用计算机模拟的 方法研究数字滤波器问题。到了7 0 年代，由于l s i 技术得到了发展，才使得硬 件实现数字滤波器成为可能。一开始，还只能用多个i c 芯片实现数字信号处理 中的一个基本运算部件( 例如加法器，乘法器，延迟器等) ，因而所构成的数字信 号处理设备体积比较大。随着集成度的提高，可以在一个芯片内集成多个运算部 件，从而使数字滤波器的应用进一步扩大。到7 0 年代v l s i 通用微处理器 ( m i c r o p r o c e s s o r ，m p ) 的出现促进了d s p 技术的发展，使得各种d s p 算法可以通 过软件编程用m p 实现，各种d s p 系统得以问世。只是由于微处理器速度不高， 达不到d s p 的要求，在许多场合都难以实现实时处理，于是发展出一种与m p 配 合使用的协处理器( c o p r o c e s s o r ) 专门完成d s p 需要的数字计算使得d s p 系统的 处理能力得到了改善。8 0 年代，通用的可编程d s p 芯片( p r o g r a m m a b l ed s p ，p d s p ) 问世了。这类处理器针对d s p 的特点，为了提高计算性能，芯片内设置了专用的 并行乘法累加器( m a c ) 。放弃了的m p 冯诺依曼结构，采用h a r v a r d 结构，将程 序存储器和数据存储器及其相应的总线分开，大大提高了吞吐率，使d s p 的性能 有了划时代的进步。然而，由于p d s p 要满足通用性的要求，其价格也很高，因 此在一定程度上限制了它的应用，而d s p 的应用领域如此广阔，相应也需要多种 多样的d s p 芯片来满足各种不同的要求，例如可以在p d s p 的基础上简化其指令 集，来完成某种d s p 任务，或增加适当的控制和外围接口电路以满足一定的应用 要求，这就是所谓“基于d s p 核的d s p ( c o r e - b a s e dd s p ) 芯片。此外，还有专 门完成特定d s p 任务如快速傅立叶变换( f f t ) 的专用d s p 芯片( a s - d s p ) 。 目前，通用数字信号器p d s p 已经经历了第四代、第五代，正在向高精度和 高性能方面发展，p d s p 器件的工作频率、数字吞吐能力和功能上的进一步提高， 将使其在数据通信、广播电视、雷达等领域的应用越来越广。 专用d s p 芯片a s - d s p 的速度要比通用d s p 芯片快得多。目前，可作视频实 时处理的f i r 数字滤波器芯片就有几十种。它们的共同特点是具有多个乘法累加 4 器构成的独立计算单元，便于级连运行。有时还可以实现自适应f i r 滤波器或 i i r 滤波器。实现f f t 算法的专用芯片也有好多种，除了矢量处理器z r 3 4 1 6 和 z r 3 4 3 2 5 外，还有专用ff 1 芯片t m s 2 3 0 1 0 ，它包括5 个功能块，指令周期为 5 n s ，1 0 2 4 点复数f f t 可在0 5 m s 内完成，取样率( 含窗) 可达2 m h z 。此外，图像 处理芯片也发展得很快。 1 2 使用f p g a 实现数字滤波器 1 2 1 问题的提出 在前一节中分别介绍了d s p 的发展状况、种类、性能、特点及应用领域，其 中，各种d s p 都各有优点与缺点，也分别适应于不同的应用要求。综上所述，传 统的d s p 处理器实现方法有三种：1 通用d s p ，如t m s 3 2 0 等。2 d s p 核。3 专用d s p 。其中前两种d s p 都是用软件编程的方式来实现，随着d s p 系统复杂 程度和功能要求的提高，这些d s p 解决方案暴露出了缺陷。虽然这些d s p 处理器 方案成本较低，但由于软件处理数据速度较慢，不可能有很强的实时性能，从而 限制了它在高速和实时系统中的应用。随着大规模可编程逻辑器件的发展，产生 了将c p l d 及f p g a 和d s p 技术结合起来实现d s p 器件的解决方案。可编程器件和 e d a 开发工具的灵活性，利用f p g a c p l d 设计的d s p 系统，同时具备通用d s p 处理器p d s p 的灵活性和a s i c 器件的实时性。既克服了通用p d s p 的速度上的缺 点，又解决了a s i c 器件灵活性以及开发周期长、费用高等方面的缺点。由于基 于c p l d f p g a 器件的d s p 系统，能够在集成度、速度( 实时性) 和系统功能等多 个方面满足d s p 的需要，f p g a c p l d 已在许多d s p 领域获得成功的应用，例如， 雷达信号处理、数据压缩、图像处理、保密通信、数字电视、声像设备等。当然， 相对于a s i c 技术设计的专用d s p ，用f p g a c p l d 技术实现的d s p 在集成度和速 度上还有一定的差距，但其方便、快捷、灵活、低成本的优势使其应用范围迅速 扩大，可以预见，f p g a c p l d 有进一步取代a s i c 之势。 1 2 2 本文的工作 d s p 的广泛应用以及可编程逻辑器件的发展，使得f p g a c p l d 在专用d s p 领域逐步取代a s i c 设计方案获得了迅速的发展。本文的工作即是使用f p g a 来实 现数字滤波器的设计。由于f p g a 器件的结构及其开发工具软件有其自身的特点， 各个厂家的f p g a 器件彼此也有所不同。不同的厂家不仅其f p g a 器件结构本身不 同，而且其器件所支持的e d a 工具软件也各异。因此，本文在研究适于f p g a 器 件特点的各种d s p 算法及其硬件实现方法的同时，对各种f p g a 器件的结构和编 程原理，以及f p g a 器件的开发流程等作了较为详细的介绍。并且介绍了使用窗 函数以及频率抽样法设计f i r 数字滤波器的基本理论，根据这些理论，使用 m a t l a b 软件作为设计工具，采用窗函数和频率抽样法分别设计了低通、高通、 带通f i r 数字滤波器。得到了相应的技术参数和脉冲、频率响应图。 最后，使用m a t l a b 采用了加入过渡带采样点频率抽样法设计方法，设计出 阶数为1 7 阶的高通f i r 滤波器，得到了对应的抽头系数h ( r 1 ) 。根据抽头系数的 对称性，研究了具体的f i r 硬件实现问题。最终，在a l t e r a 的a p e x 2 0 k e 系列 的f p g a 上，实现了一个1 7 阶的抽头的f i r 数字高通滤波器滤波器。工作频率为 3 5 m h z 。 按照f p g a 设计流程，进行了功能仿真，综合，布局布线，静态时序分析。 最终进行了布局布线后的后仿真，后仿真结果没有问题，就可以直接下载到f p g a 芯片上实际使用了。 6 第二章f p g a 与e d a 设计 微电子技术是二十世纪末发展最为迅速的高新技术，其加工最小尺度每三年 即提高一个数量级，同时，硅片的面积也增大，从而在片芯片上可集成数百万 到数千万个晶体管。当前，集成电路的线宽已经达到0 0 9um ，d r a m 的集成度 达到2 5 6 m b 以上，逻辑电路的芯片布线达到4 - 6 层金属，i o 端口多达9 0 0 个， 相应的微处理器时钟频率已经达到3 0 0 删z 以上，典型的o 1 8um 工艺制作的电 路密度大约为5 0 0 0 0 门m m 2 。半导体工艺正在从亚微米向下一级的深亚微米技 术，现在已经达到o 0 9um 的集成电路制造工艺。自1 9 5 8 年集成电路发明以来， 集成电路芯片的发展基本遵循了摩尔定律，即每隔3 年集成度增加4 倍，特征尺 寸缩小2 ( 1 4 ) 倍。因此，预计到2 0 1 0 年集成电路的线宽可达到0 0 7pm ， 芯片集成度达到l g 以上，d r a m 集成度高达6 4 g b ，而且，徼处理器的时钟频率达 到1 g h z 以上。 所有这些变化使得包括f p g a 和c p l d 的可编程专用集成电路( a s i c ) 器件无论 在密度上和性能上都有很大的发展。为适应芯片上集成系统( s y s t e mo nac h i p ， s o c ) 甚至单片上集成系统的需要，可编程器件的结构上采用分段布线，增加片内 块r a m 和对片外高速r a m 的接口等。可编程a s i c 器件的开发软件也经历了从d o s 界面发展到w i n 9 5 或w i n n t 的视窗界面，输入方式从原理图输入到原理图和硬件 描述语言( h d l ) 混合输入，甚至完全用h d l 方式进行输入。优化综合和器件结构 紧密结合，极大地改进设计工具的性能，而且，以p c 平台为主的发展趋势使设 计软件成为使用极为方便的流行工具。i n t e r n e t 网的发展又使电子系统的设计 进入了一个全新的时代，以前从市场上购买集成电路( i c ) 产品在印刷版上集成系 统，今后，则可以从网络上选购知识产权( i p ) 产品在单个芯片上集成系统。 而且，集成电路的高速发展，又推动了电子技术的发展，带来了电子系统设 计的不断变革。电子系统的设计方法由最初的手工设计变为计算机辅助设计 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) ，继而又出现了电子系统设计自动化( e l e c t r o n i c s y s t e m d e s i g na u t o m a t i o n ，e s d a ) 。而且由于e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 工具的发展，可以重复利用已验证的多种电路、微处理器、多种数 7 字信号处理器作为库元件或核，在其他设计中加以调用，从而可以生产出各种功 耗低、性能高、成本低的新一代“片上系统”，这表明了集成电路技术已从电路 集成走向了“系统集成”，v l s i 技术已经发展到系统集成化的新时代或芯片集成 系统的时代。而f p g a c p l d 等可编程器件的飞速发展更加促进了设计方法的发 展，并且，两者相互促进，从而使得电子技术发生了一次又一次的飞跃。 目前世界上有四大e d a 软件公司共同支持i c 设计软件的发展，有s y n o p s y s 公司、m e n t o r 、c a n d e n c e 、m a g m a 这四家公司，总体来说，目前的设计是越来越 智能，后端越来越容易、人工干预的成分越来越少，总之，希望按一个按钮，就可 以完成r t l 综合，布局布线，插入扫描链，参数提取直接生成g d s i i 文件用于最 后的流片。 2 1 可编程器件的发展概况及趋势 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路 本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、 发展到超大规模集成电路( v l s i c ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集 成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由 半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯 片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件 ( f p l d ) ，其中应用最广。泛的当属现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 。 2 1 1 可编程器件的发展现状 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读 存贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) 三种。由于结构的限制，它们 只能完成简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ， 它能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个“或门阵列组 成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘 积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。p a l 由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发 器有选择地被置为寄存状态。p a l 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔 丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是 可编程逻辑阵列( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个 平面的连接关系是可编程的。p l a 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程 的。 在p a l 的基础上，又发展了种通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i c a r r a yl o g i c ) ， 如g a l l 6 v 8 、g a l 2 2 v 1 0 等。它采用了e e p r o m 工艺，实现了电可擦除、电 可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性， 至今仍有许多人使用。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特 性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 r_ r_ 1 r 霄了 i 膏i - 1 ；丁 r 1 1i谴l寸 i l 寸 。l：ll，王lo 。 l ll _ r ll f t 专一上 l l ! i c ill l 羔。，j 互。盟：l u - l 。，j !。j _曩! 垒 j _l j 一 。套 。j 蔓。j一 l j 图2 1 1p l d 的结构图 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期，a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似 于鼢正结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和与标准门阵 列类似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 。到八十年代，由于工艺水平的 提高，p l d 已经突破了传统的单一结构，向高密度、高速度、复杂化发展，成为 更复杂的逻辑阵列形式，即复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp l d ) 。最初的c p l d 即e p l d ，e p l d 是八十年代中期，美国a l t e r a 公司推出的一种可擦除的可编程逻 辑器件，这种器件的要点在于将e p r o m 直接合成于p l d 芯片之中。由于其特有的 宏单元组合结构，故其应用设计的编程灵活性较之传统的p l d 器件有了较大的改 善，但e p l d 内部互连能力很弱。到9 0 年代出现了e p l d 的改进器件c p l d ，同e p l d 9 相比，c p l d 不仪具有电擦除的特性，而且出现了边缘扫描及在线可编程的高级特性。 通常，c p l d 中含有大量的触发器，且i o 端数相当多。在c p l d 结构中，广泛采 用分块结构，将整个电路划分为若干个功能块，每块中含有若干个宏单元，每个 宏单元含若干个触发器，相邻的功能块之间有互连线，为了减少传送延迟，又放 入一个全局互联矩阵，提供多功能块之间的信号传送，其单片集成度在一千门以 上。目前，集成规模较高的产品也已达数万门以上且集成规模仍在上升。但是， e p l d 、c p l d 究其编程原理而言，仍属于p l d 的范畴，而不同于逻辑门级编程的 p g a ( p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 器件，f p g a 器件在编程的灵活性上要大大强于 p l d 器件，这也是f p g a 器件出现的根本原因。这两种器件不仅都具有体系结构 和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，而且兼容了p l d 和通用门 阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本 低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点， 因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产( 般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎 所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电路的场合均可运用f p g a 和 c p l d 器( 注：不同厂家的叫法不尽相同，x i l i n x 把基于查找表技术，s r a m 工 艺，要外挂配置用的e e p r o m 的p l d 叫f p g a ；把基于乘积项技术，f l a s h ( 类 似e e p r o m 工艺) 工艺的p l d 叫c p l d ；a l t e r a 把自己的p l d 产品：m a x 系列 ( 乘积项技术，e e p r o m 工艺) ，f l e x 系列( 查找表技术，s r a m 工艺) 都叫 作c p l d ，即复杂p l d ( c o m p l e xp l d ) ，由于f l e x 系列也是s r a m 工艺，基于 查找表技术，要外挂配置用e p r o m 的用法和x i l i n x 的f p g a 一样，所以很多人 把a l t e r a 的f e l x 系列产品也叫做f p g a ，。同其它p l d 相比，f p g a 内部不仅有 可编程的i 0 模块和逻辑功能模块，而且由于开关矩阵实现的内部互连资源可编 程，因此具有更大的设计灵活性。但f p g a 的时延性能与布线有关，故其时延无 法预测，需要在设计实现后加以验证，而其他p l d 的时延性能都是可预测的。目 前，f p g a 的集成规模己达数百万门且仍在继续发展之中。f p g a 器件已成为九十 年代半导体集成电路工业中销售量增长最快的部分。 1 0 2 1 2 可编程逻辑器件的发展趋势 随着i c 制造工艺的迅速发展，c p l d f p g a 的集成规模通常在数千门到数万 门，目前单片集成度最高已达数百万门甚至千万门。百万门的p l d 器件和相关开 发工具推动了s o c 的进一步发展，使在单一芯片内实现全部逻辑功能成为可能。 同时，带有特定功能的p l d 开始抢滩中国市场，短接脚至接脚时延指标和i o 配置灵活性将进一步提高。并且，可编程逻辑器件正朝着在系统可编程( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ，i s p ) 的方向发展，在系统可编程器件将使系统的硬件功 能可以象软件一样被编程和配置，从而可以灵活地、实时地改变系统的硬件功能。 c p l d 和f p g a 在中、低速系统应用中优势相当，两者共存的态势将继续维持。在 高速应用中，反熔丝技术和门阵列更胜一筹。总之，c p l d f p g a 的发展方向主 要在以下几个方面。 ( 1 ) 逻辑块方面：逻辑模块( l o g i cm o d u l e ，l m ) 是c p l d f p g a 中实现各种逻 辑的核心，它对c p l d f p g a 芯片面积、速度、c a d 工具的开发都有重要影响。 目前，主要有三种逻辑模块：a 、基于l u t 的l m ，即基于查询表的逻辑模块。 也是目前f p g a 中使用最广泛的逻辑模块。b 、基于p l d 的l m ，c p l d 在基本模块 上与简单p l d 没有本质区别，所不同的只是c p l d 采用层次式互连将l m 组成阵列 结构，提高了芯片的逻辑密度。c 、基于基本门的l m ，它在资源利用率方面有 很大的优势，可以提供丰富的寄存器，且适合于v h d l 自动逻辑综合，使得设计 者可以借助于高层次综合工具来提高设计效率。基本门选择姗x 的最普遍，另外 还有n a n d 2 、x o r 等。其中，基于l u t 的l m 因其n - i n p u tl u t 能实现n 输入的任 何函数，这对于工艺映射算法的实现非常有利，在工艺映射时只须考虑满足输入 输出端的要求而不必做基于m u x 或p l a 结构中无法避免的具体逻辑功能的匹配。 因此，基于l u t 的l m 不仅在目前f p g a 中使用最广泛，而且也代表了未来的f p g a 发展方向。 ( 2 ) 互连的层次化：经典的对称式f p g a 为对称式短线互连结构，其优点是 实现局部互连时灵活性高，分布电容小，适合低功耗，高性能应用，但其最大缺 点是布线器的负担重，连线时延不可预测。而长线互连结构的c p l d 其最大优点 是具有可预测的固定时延，从而芯片速度普遍高于对称式f p g a 结构。但短线和 长线的作用是互补的，可以通过层次化互连来配置。x i l i n x 公司即采用层次化 互连来改进其经典的对称式f p g a 短线互连结构，在x c 3 0 0 0 4 0 0 0 基础上， x c 4 0 0 0 x 新增长互连并加大直接互连和长线数量，使得布线器的运行时间减少 7 2 8 7 ，并且增加了连线时延的可预测性。 2 2 可编程器件对电子系统设计的影响 f p g a 等可编程器件本身作为一种新器件，其技术不同于一般的集成电路应 用技术，它可以由用户自行规定器件的功能，将大量的电路功能集成到一个单芯 片中，提高了系统的集成度。另一方面，可编程器件的设计方法又是采用e d a 的设计方式，f p g a 等器件的设计方法正是从手工设计到自动设计的桥梁。它依 赖并带动着电子设计技术的变革，推动着e d a 设计方法，设计工具的进步，改变 着系统设计人员的设计思想，单片系统的通用化设计技术的雏形已经展示在人们 面前，必将使a s i c 技术应用和普及推上新的台阶。 可编程技术要求用户现场自行完成用户系统的逻辑设计，综合仿真和器件功 能的物理实现。因此，用户不仅要对器件的可编程原理，逻辑资源有着完整的了 解，更需要掌握新的设计方法和设计工具的使用。并且，方法和工具的优劣直接 影响着设计周期和结果。因此，近年来，e d a 技术公司和f p g a 器件技术公司纷 纷相互靠拢，在e d a 工具上开发f p g a 设计软件包，建立了各种f p g a 应用设计的 接口，使用户在f p g a 器件生产商的元件库和设计实现系统的支持下，很容易借 助于现有的e d a 工具，来从事用户自己的f p g a 应用设计。1 9 9 5 年以来，世界上 流行的e d a 系统工具，诸如s y n o p s y s 、c a d a n c e 、m e n t o rg r a p h i c 、v i e w l o g i c 、 o rc a d 等系统，都可以用来进行f p g a 应用系统的设计和仿真。 f p g a 作为通用化的设计实现载体，刺激着e d a 工具的不断更新。目前，在 e d a 设计工具方面，人们并没有满足于支持v h d l 行为语言描述阶段，能够支持 框图概念级、或系统功能流程图，或者各种设计输入方式共存的自动处理、综合、 优化的e d a 工具已经出现，也必将进一步推动电子系统通用化设计技术的发展。 目前，世界上主要的微电子公司，立足自身的技术特长，在f p g a 等可编程 器件的性能、价格、新品种方面相互竞争，推陈出新，器件的新功能、新构思正 不断出现。采用通用化设计方法，现场实现用户的单片电子系统，将数字系统集 成化，己不是遥远的梦想，电子系统的传统设计方法将发生巨大的变革。 1 2 2 3 系统集成芯片的设计要求 当f p g a 等可编程器件的集成度达到近万门时，原来采用原理图输入的设计 方法就过于繁琐，因此器件集成度的提高，追使设计工程师从原理图的输入方法 向硬件描述语言的设计和综合方法转变。目前，至少是原理图和h d l 输入两种方 法的混合使用，并且在设计思想上，抛弃了原有的自下而上的方式，而采用自顶 而下的设计思想。 为了在一个芯片上实现系统集成的设计，能够在短时间内将包含数千万只晶 体管的单片集成方案开发出来，需要采用综合利用知识产权( i p ) 功能块进行 v l s i 设计的方法。所谓i p 功能块是以v h d l 或h d l 等语言描述的构成v l s i 中各 种功能单元的软件群。i p 功能块是要提供中央处理器( c p u ) 、数字信号处理器 ( d s p ) 、外设互连接口( p c i ) 和通用串行总线( u s b ) 等足够可靠的各种功能的功能 块。供应商在提供i p 功能块时，已经排除了语言描述的冗余性，并且经过验证， 系统设计者采用i p 功能块进行设计时，可以集中精力去解决系统中的重点课题， 并可用优化的i p 功能块合并到其定制的核心电路中进行逻辑合成。 如果在板级合成系统时是选择各个厂家的器件安装在印刷版构成系统的话， 在芯片上集成系统是选择各个厂家的i p 功能块综合到芯片上构成系统。v l s i 的 这种设计方法也扩展和渗透到可编程器件，许多a s i c 设计者常利用f p g a 作为产 品的样本，把大的i p 功能块划分到几个f p g a 来进行硬件仿真。 而a l t e r a 和x i l i n x 分别制定了m e g a f u n c a t i o np r o g r a m 和l o g i c o r e 等 计划，为用户系统级设计高性能和高密度的f p g a 提供预先设计和校验的可寻访 ( d r o p - i n ) 。目前各个f p g a 厂商都提供了对自己f p g a 芯片进行开发的工具软 件，a l t e r a 的有m a x p l u s 2 用于c p l d 的开发，q u a r t u s 软件用于f p g a 的开发。 x i l i n x 用f o u n d a t i o n 软件进行开发设计，f p g a 的开发变得越来越智能，越来越 容易。 2 4f p g a 的基本架构和基本设计流程 2 4 1f p g a 的结构原理 不同厂家生产的f p g a ，在可编程逻辑块的规模、内部互连线的结构和采用的 可编程元件上存在较大的差异。因此有必要对f p g a 的分类及结构原理作简单的 介绍。 按基本结构的不同，可将f p g a 分为查找表型和多路开关型两种类型。 反熔丝的多路开关类型f p g a ： 多路开关型f p g a 逻辑单元的基本结构是多路开关，利用多路开关灵活的数 据选择特性，实现各种逻辑函数的设计。 a c t e l 的a c t 系列和o u i c k l o g i c 的p a s i c 系列f p g a 属于反熔丝的多路开关 类型，由于反熔丝是一种双端非丢失的一次性可编程元件，所以，这类器件也是 一次性可编程和非丢失性的f p g a 。由于反熔丝的多路开关类型f p g a 不是本文的 重点，此处不多讨论。 基于s r a m 的查找表型f p g a ：目前市面上最常见的就是这种产品，所以在这 里我详细的介绍一下查找表型f p g a 的可编程逻辑单元是由静态存储器( s r a m ) 构 成的函数发生器组成，用它来实现f p g a 的逻辑功能。m 个输入的逻辑函数真值 表存储在2 肘1s r a m 中，s r a m 的地址线起输入作用，s r a m 的输出为逻辑函数值。 m 个输入的查找表可以实现m 个输入的任意逻辑函数，只要将函数真值表的位模 式预先加载在存储器中，就可以实现所需逻辑函数。对于多于m 个输入的逻辑函 数，实现起来则显得不太方便。这样当用户使用原理图或者h d l 语言描述了一个 逻辑电路，f p g a 开发软件就会自动的计算逻辑电路的所有的可能的结果，并且 把结果写入了r a m 中去，这样每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址 进行查表，找到了地址对应的内容，就输出可以了。下面是一个4 输入与门的例 子： 1 4 实际逻辑电路l u t 的实现方式 a 广1 1 地址线 ：；i ) 一o u t b 输出 1 6 x l 鼬 d ) d 亡= ) j a jb ，c ，d 输入逻辑输出地址 心中存i 蓍的内容 0 0 0 000 0 0 00 0 0 0 l0 0 0 0 10 00 1 1 1 ll1 1 1 1l 图2 4 1 1f p g a 的l u t 结构 因为四输入的与非门，只有a = b = c = d = l 的时候，输出才可以是1 。可以将 a , b ，c ，d 作为1 6 x lr a m 的地址，1 6 x l 的r a m 的内容如上图。只有到地址是1 1 l l 的时候，才是l ，其他时候都是0 。那么，输入a , b ，c ，d 后查r a m 的内容，就可 以得到输出结果了。显然只有当a b c d 是1 1 1 1 的时候，r a m 中的结果才是1 。这 个l u t 结构就是f p g a 里的最基本的结构单元。 f l e x a c e x 的结构主要包括由l a b ，i 0 块，r a m 块( 没有表示出来) 以及可编程 行n 的连线。在f l e x a c e x 中，一个l a b 包括由8 个逻辑单元( l e ) ，每一个l e 包括由一个l u t ，一个触发器和相关的逻辑，l e 是f l e x a c e x 芯片实现逻辑的最 为基本的结构( a l t e r a 的其他系列，例如a p e x 和这个基本相同) 。 因为l u t 主要适合s r a m 工艺，所以目前大部分的f p a g 都是s r a m 结构。 由于在工艺上，s r a m 可以做到集成度很高，所以f p g a 内部可以集成大量的 s r a m 。在f p g a 里，d 触发器是使用s r a m 构成的，所以对于f p g a 设计来 说，d 触发器的资源是很丰富的。一般来说，设计完毕后，会剩余很多d 触发 器资，因此在实际设计f p g a 中，要尽量使用d 触发器的时序电路来取代组合逻 辑电路，这样即可以提高芯片利用率，又可以提高整个设计的速度。 2 4f p g a 的e d a 设计流程 e d a 技术研究的对象是电子设计的全过程，由系统级、电路级、和物理级各 个层次的设计，涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟 到数字，从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此，e d a 技术研究 的范围相当广泛。如果从专用集成电路的a s i c 开发与应用角度看，e d a 系统应 当包括以下几个模块：设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、 综合仿真子模块、布局布线子模块等。这些年来，许多生产可编程逻辑器件的器 件公司都相继推出了适于开发本公司器件的e d a 工具，这些工具一般都具有上面 提到的各个模块，操作简单，对硬件环境要求低，运行平台是p c 机和w i n d o w sn t 操作系统。如x i l i n x 、a i t e r a 、l a t t i c e 、a c t e l 等器件公司都有自己的e d a 工 具。实际上，e d a 工具不只面向a s i c 的应用与开发，还有涉及电子设计各个方 面韵e d a 工具，包括数字电路设计、模拟电路设计、模数混合设计、系统设计、 仿真验证等电子设计的许多领域工具。 f p g a 设计粗略地说可分为电路级设计和版图级设计两部分。电路级设计的内 容包括设计输入、综合优化和设计仿真，可采用通用的e d a 工具完成，如： s y n o p s i s 、m e n t o r 等公司的设计输入、综合软件和仿真器。版图设计包括工艺 映射，布局布线及配置代码生成等，对应的设计输入工具与具体f p g a 的生产工 艺和结构有关，一般都是由器件制造商提供的专用软件来完成，a l t e r a 公司有 q u a r t u s 软件，x i l i n x 公司有i s e 软件。 1 6 第三章数字滤波器的基本理论 3 1 数字滤波器的发展概况 数字信号处理科学的一个重大的进展就是关于数字滤波器设计方法的研究， 关于数字滤波器，在4 0 年代的末期，就有人讨论过其可能性，但是直到6 0 年代 中期，在这个方面才开始形成数字滤波器的一整套完整的正规理论，在这个时期， 提出了各种的数字滤波器的结构，有的是以运算误差最小为特点，有的是以运算 速度见长，而有的两者兼而有之，出现了数字滤波器的各种逼近方法和实现方法， 对递归和非递归的滤波器进行了全面的比较，统一了滤波器的基本概念和基本理 论，数字滤波器中的一个重要的发展就是对有限冲击响应( f i r ) 和无限冲击响应 ( i i r ) 的认识转化。在初期，认为i i r 滤波器比f i r 滤波器的具有更高的运算的效率， 所以明显的倾向于前者，但是当人们使用f f t 来实现卷积运算后，发现高阶的 f i r 滤波器也可以使用很高的运算效率来实现，这就让人们对高性能的f i r 滤波 器设计方法和数字滤波器的频域和时域的设计方法进行了大量的研究，从而出现 了在以后的数字滤波器中的频域和时域的设计方法并驾齐驱的局面，随着7 0 年 代的科学技术的蓬勃发展，数字信号处理和大规模集成电路技术，高速数字算术 单元，并且引入了新的计算机的设计方法，使数字滤波器变成了不仅仅是对相关 的模拟滤波器的逼近，这样数字滤波器的分析和设计其内容也就更加的丰富起 来，各种新的数