視頻、影像和電信市場的標準推動了異構可重配置 DSP 硬件平臺的使用。就本文而言，這些平臺包括 DSP 處理器和 FPGA，它們提供的現(xiàn)成硬件解決方案可以解決視頻、影像和電信設計中的重大難題，但仍不失產(chǎn)品差異化所需的足夠的可定制性。
據(jù)市場研究公司 Forward Concepts 于 2005 年發(fā)表的一則調(diào)查報告（圖 1）稱，選擇處理器和 FPGA 的主要標準不是器件本身，而是開發(fā)它們的工具。這一概念對于包含 FPGA 和 DSP 處理器的平臺亦應成立。
圖 1 – 2005 年 Forward Concepts 市場調(diào)查
在 DSP 處理器和 FPGA 之間，傳統(tǒng)的 DSP 開發(fā)者通常選擇前者，因為設計流程是已知的，而異構系統(tǒng)的優(yōu)點則難于評價?？芍匦屡渲玫挠布脚_限制了硬件自由度，設計流程因此而具有較高的自動化程度。這種自動化排除了設計的復雜性，從而在 DSP 設計界進一步推廣了硬件解決方案的優(yōu)勢。
DSP 硬件平臺的優(yōu)點
FPGA 和 DSP 處理器具有截然不同的架構。在一種器件上非常有效的算法，在另一種器件上卻可能效率非常低。如果目標應用要求大量的并行處理或最大的多通道流量，那么單純基于 DSP 處理器的硬件系統(tǒng)就可能需要更大的面積、成本或功耗。一個 FPGA 協(xié)處理器僅在一個器件上就能提供多達 550 個并行乘法和累加運算，從而以較少的器件和較低的功耗為許多應用提供同樣的性能（圖 2）。
圖 2 – 基于 FPGA 的 DSP – 并行
盡管 FPGA 在處理大量并行數(shù)據(jù)方面出類拔萃，但對于定期系數(shù)更新、決策控制任務或高速串行數(shù)學運算這類任務來說，它們的優(yōu)化程度比不上處理器。正是 FPGA 和 DSP 處理器的結合為廣泛的應用提供了制勝的解決方案。
例如，對于采用模式識別技術的智能攝像機來說，異構可重配置 DSP 平臺可以作為理想的選擇。FPGA 的并行處理能力非常適用于圖像分割和特征提取，而視頻和影像 DSP 處理器則更適合統(tǒng)計模式分類等數(shù)學密集型任務。異構系統(tǒng)可以更好地利用流水線和并行處理，這對于獲得高幀速率和低延遲來說至關重要。
基于異構平臺的設計流程的優(yōu)點
基于異構平臺的設計流程把單獨處理器和 FPGA 設計流程采用的設計自動化概念擴展到整個平臺?；谄脚_設計的基本原則是剔除基于硬件系統(tǒng)和基于軟件系統(tǒng)的“中間件”。這樣就可以讓缺乏或完全沒有 FPGA 設計經(jīng)驗的 DSP 設計者能夠評估和利用 FPGA 協(xié)處理器的性能、成本和功耗優(yōu)勢?！ ?/p>
基于平臺的設計流程應能自動生成內(nèi)存映射、軟件接口的頭文件和驅(qū)動程序文件以及硬件的接口和中斷邏輯。整體系統(tǒng)的改動對單個軟件和硬件組件的影響有限（圖 3）。
圖 3 – 軟硬件接口生成
通過這種自動化，開發(fā)者個人不必再掌握設計 FPGA 硬件、DSP 處理器應用代碼以及接口邏輯和軟件所需的龐雜技術。
設計 FPGA 協(xié)處理器
任何給定的技術中都有多種方法可以實現(xiàn)信號處理算法。算法步驟常常受到目標硬件的影響。當目標是異構 DSP 硬件平臺時，實現(xiàn)方法的選擇就成了一個二步過程。您必須首先選擇最合適的硬件器件，然后再確定哪種實現(xiàn)方法適合該器件。
在可重新配置的 DSP 硬件平臺上，處理器將作為主處理單元并且控制 FPGA。而 FPGA 則用作協(xié)處理器（其中，數(shù)據(jù)傳入 DSP 處理器進行同步，然后傳出），或者用作預處理器或后處理器（其中，數(shù)據(jù)從高速接口傳入）。FPGA 的最佳用法取決于系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率、格式和運行參數(shù)。
像德州儀器公司 DSP 的 Code Composer Studio 這類工具包含代碼分析器，用來識別可以下載到 FPGA 的軟件“熱點”。20% 應用代碼占用 80% 可用處理器 MIPS 的情況并不罕見。
需要一個接口將 FPGA 連接到硬件平臺上獨立的 DSP 處理器。可重新配置的 DSP 平臺通常能支持較多通用接口（如德州儀器公司的 16/32/64 位 Tic6x DSP 擴展存儲器接口 (EMIF)，適用于系統(tǒng)控制和協(xié)處理任務）和較多高速串行接口（如 SRIO 或視頻接口，用于預處理和后處理操作）。
系統(tǒng)中加入 FPGA 協(xié)處理器后，軟件實現(xiàn)就將由算法描述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)傳遞與函數(shù)控制。對于應用軟件開發(fā)者來說，F(xiàn)PGA 協(xié)處理器將顯示為一個硬件加速器，可以通過函數(shù)調(diào)用對其進行訪問。
Xilinx 解決方案
在MathWorks 的 Simulink 和 MATLAB 建模環(huán)境的基礎上，Xilinx 為 FPGA提供了一個完整的 DSP開發(fā)環(huán)境。浮點 MATLAB 中所描述的算法可以用 AccelDSP 合成到 Xilinx® FPGA 的 DSP 功能模塊中。System Generator 允許用 Simulink 將這些模塊與一個由 90 多個經(jīng) Xilinx 優(yōu)化的 DSP 模塊組成的庫結合起來，從而形成完整的基于 FPGA 的 DSP 系統(tǒng)。
System Generator 支持硬件協(xié)同驗證，用硬件上運行的實現(xiàn)過程取代部分軟件模擬。這樣，您就可以驗證硬件中的實現(xiàn)過程并且加速 Simulink 的模擬。
現(xiàn)在的 System Generator 在 FPGA 協(xié)處理器與德州儀器的 DSP 處理器之間自動生成基礎架構，以這種方式支持基于平臺的設計。這種支持針對平臺，最初是為 Xilinx 視頻協(xié)處理套件提供的。System Generator 將來的版本將包括對其他平臺的支持。
用這種新型的自動方法，System Generator 通過一些叫做“共享存儲器”的特殊模塊在軟硬件之間提供一個抽象層。對于硬件開發(fā)者來說，這種共享存儲器的作用相當于 FIFO、RAM 或寄存器的一個端口（圖 4）。
圖 4 – 共享 System Generator 的 FIFO
數(shù)據(jù)傳入和傳出 FPGA 的操作是通過對應用軟件中的共享寄存器之一執(zhí)行一個簡單函數(shù)調(diào)用來完成的，此函數(shù)調(diào)用在 System Generator 自動生成的驅(qū)動程序文件中予以定義。這個流程還支持中斷生成，以實現(xiàn)處理器和協(xié)處理器之間的有效執(zhí)行。
結論
FPGA 的并行處理能力可大大改善視頻、影像和電信應用的性能、成本效率和功耗，這些應用或者已經(jīng)受益于并行 DSP 處理，或者需要優(yōu)化的多通道處理。依托基于平臺設計方法的異構可重配置 DSP 平臺使不熟悉 FPGA 設計的傳統(tǒng) DSP 設計者能夠快速評估 FPGA 協(xié)處理器為其特定應用帶來的好處。
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