流水线技术在基于FPGA的DSP运算中的应用研究

在数字信号处理(DSP)领域，需要处理的数据量很大，并且实时性要求很高。传统的DSP设计方法主要有采用固定功能的DSP器件和采用DSP处理器两种，由于它们灵活性差以及软件算法在执行时的顺序性，限制了它们在高速和实时系统中的应用。随着深亚微米半导体制造工艺的不断创新，百万门可编程器件的不断推出，为DSP提供了第3种有效的解决方案，即利用FPGA实现DSP运算硬件化。它能够在集成度、速度和系统功能方面满足DSP应用的需要。
    然而在应用FPGA进行系统设计综合过程中，选择芯片的运行速度优化和资源利用优化常常是相互矛盾的，对速度指标要求高的设计优化常常要占用较大的芯片资源，而减小芯片面积的设计又需要以降低系统速度为代价。从FPGA发展趋势和DSP运算要求看，系统速度指标的意义比面积指标更趋重要，需要我们进一步深入研究提高芯片的最高工作速度的设计策略。本文讨论在基于FPGA的DSP系统设计中采用流水线技术，充分利用硬件内部的并行性，在FPGA有限资源芯片面积上提高单位时间里的数据处理能力即数据吞吐率(throughput)，提高系统的工作速度的具体做法。

0 流水线技术基本原理和FPGA结构特征    

    流水线是一种在时间上串行，在空间上并行的技术，其基本原理如图1所示。将整个电路划分为若干个流水线级，流水线每级之间设置寄存器锁存上一级输出的数据；每一级只完成数据处理的一部分；一个时钟周期完成一级数据处理，然后在下一个时钟到来时将处理后的数据传递给下一级；第一组数据进入流水线后，经过一个时钟周期传到第二级，同时第二组数据进入第一级，数据队列依次前进。每组数据都要经过所有的流水级后才能得到最后的计算结果，但是对整个流水线而言，每个时钟都能计算出一组结果，所以平均计算一组数据只需要一个时钟周期的时间，这样就大大提高了数据处理速度，电路在单位时间内处理的数据量就愈大，即电路的吞吐量就越大，保证整个系统以较高的频率工作。
    FPGA的结构特点很适合采用流水线设计，以Altera低成本系列Cyclone II为例，不仅有最多达68416个逻辑单元(LE)，而且提供嵌入式存储资源支持各种存储应用和低成本DSP应用(如乘法器模块、PLL)。每个LE均含有一个四输入查找表LUT、一个可编程触发器等。一般设计中，这个触发器或者没有用到，或者用来存储布线资源。设计中可将一个算术操作分解成一些小规模的基本操作配置到LUT中，将进位和中间值存储在寄存器中，在下一个时钟内继续运算。因此，在FPGA中采用流水线技术，只需要极少或者根本不需要额外的资源成本。特别是在需要进行大批量重复运算的场合，如数字信号处理中的卷积操作、FFT或FIR滤波器设计，采用流水线技术，可以大大提高系统运行速度。

1 FPGA中基本DSP运算的流水线设计与性能分析
    加法器和乘法器是DSP中最基本的运算部件。在Quartus软件平台上设计加法器或乘法器可以采用原理图法和VHDL语言两种基本方法。考虑到参数可设置宏模块(Library of Parameterrized Modtlles-LPM)经过严格测试和优化，可以发挥最佳性能，所以，我们采用原理图设计方式，通过MegaWizard P1ug-In Manager工具引入1pm add sub和1pm mult两种可设置流水线的LPM模块，实现了不同位宽、不同流水线级数的加法器和乘法器设计，并选用CycloneII系列EP2C5Q208C7器件进行了综合、布局布线、时序分析和仿真设计，以比较其性能的变化特征。
1．1 不同流水线级数的运算器性能比较
    对16位加法器和8位乘法器分别选用不同的流水线级数进行设计，比较结果如表1、2所示。

    由比较结果可见：
    (1)采用流水线技术普遍比不用流水线工作速度显著提高，体现流水线技术在高速DSP运算上的优势。
    (2)采用流水线技术在资源耗用(逻辑单元与寄存器个数、存储器位数)上有所增加。
    (3)采用不同的流水线级数在速度指标和资源耗用率上有所不同，流水线级数增加，速度指标不一定增加，但资源耗用大大增加，所以应注意速度和资源耗用指标的权衡。如对16位加法器，如不用M4K(专用存储器资源)，以采用2级流水线最佳；如选用M4K，则取6级流水最佳。8位乘法器则以2级或6级流水最佳。对于其他DSP运算，在设计时必须通过反复比较、设计，选择符合系统性能要求的流水线级数。
1．2 不同位宽运算器相同流水线级数的性能比较
    对采用6级流水的加法器和乘法器的数据位宽加以改变，通过综合仿真，分析其性能指标的变化，见表3。

    由比较结果可见：采用同样的流水线级数时，工作速度基本相同，但耗用资源随输入位数的增加而急剧增加，加法器主要是逻辑单元LE个数的增加；乘法器则是存储器位和嵌入式乘法器个数的增加。因此，对于不同的运算器电路，应根据需要选用不同型号的FPGA器件以满足对不同资源的需要。如，仅作加法运算时，可以选用逻辑单元丰富的FPGA器件女HACEX系列、FLEX等系列；乘加运算则需要选择内嵌乘法器模块和存储器模块的Cyclone、CycloneII等系列。

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。