資料介紹
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。在本文中這些平臺包括DSP處理器和FPGA,它們提供的現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,同時又不失差異化設計所需的足夠的可定制性。
市場研究公司Forward Concepts 2005年發表的一則調查報告稱,選擇處理器和FPGA的主要標準不是器件本身,而是開發它們的工具。這一概念對于包含FPGA和DSP處理器的平臺亦應成立。
在DSP處理器和FPGA之間,傳統的DSP開發者通常選擇前者,因為設計流程是已知的,而異構系統的優勢則難于評價。可重新配置的硬件平臺限制了硬件自由度,設計流程因此而具有較高的自動化程度。這種自動化消除了設計的復雜性,從而在DSP設計界進一步推廣了硬件解決方案的優勢。
DSP硬件平臺的優點
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,放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處理器的硬件系統就可能需要更大的面積、成本或功耗。一個FPGA協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(如圖1所示)。

圖1:基于FPGA的DSP。
盡管FPGA在處理大量并行數據方面出類拔萃,但對于定期系數更新、決策控制任務或高速串行數學運算這類任務來說,它們的優化程度比不上處理器。此時FPGA和DSP處理器的結合為許多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平臺就是理想的選擇。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處理器則更適合統計模式分類等數學密集型任務。異構系統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。基于平臺設計的基本原則是剔除基于硬件系統和基于軟件系統的“中間件”。這樣就可以讓缺乏或完全沒有FPGA設計經驗的DSP設計者能夠評估和利用FPGA協處理器的性能、成本和功耗優勢。
基于平臺的設計流程應能自動生成內存映射、軟件接口的頭文件和驅動程序文件以及硬件的接口和中斷邏輯。整體系統的改動對單個軟件和硬件組件的影響有限(見圖2)。通過這種自動化,開發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。

圖2:軟硬件接口生成
設計FPGA協處理器
任何給定的技術中都有多種方法可以實現信號處理算法。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,需要分兩步選擇實現方法。你必須首先選擇最合適的硬件器件,然后再確定哪種實現方法適合該器件。
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則用作協處理器(數據傳入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(數據從高速接口傳入)。FPGA的最佳用法取決于系統數據速率、格式和運行參數。
像德州儀器公司的DSP工具包Code Composer Studio就含代碼分析器,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。
在將FPGA與硬件平臺上獨立的DSP處理器連接時需要一個接口。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,適用于系統控制和協處理任務)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)。
系統中加入FPGA協處理器后,軟件實現就將由算法描述轉變為數據傳遞與函數控制。對于應用軟件開發者來說,FPGA協處理器將顯示為一個硬件加速器,可以通過函數調用對其進行訪問。
市場研究公司Forward Concepts 2005年發表的一則調查報告稱,選擇處理器和FPGA的主要標準不是器件本身,而是開發它們的工具。這一概念對于包含FPGA和DSP處理器的平臺亦應成立。
在DSP處理器和FPGA之間,傳統的DSP開發者通常選擇前者,因為設計流程是已知的,而異構系統的優勢則難于評價。可重新配置的硬件平臺限制了硬件自由度,設計流程因此而具有較高的自動化程度。這種自動化消除了設計的復雜性,從而在DSP設計界進一步推廣了硬件解決方案的優勢。
DSP硬件平臺的優點
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,放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處理器的硬件系統就可能需要更大的面積、成本或功耗。一個FPGA協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(如圖1所示)。

圖1:基于FPGA的DSP。
盡管FPGA在處理大量并行數據方面出類拔萃,但對于定期系數更新、決策控制任務或高速串行數學運算這類任務來說,它們的優化程度比不上處理器。此時FPGA和DSP處理器的結合為許多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平臺就是理想的選擇。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處理器則更適合統計模式分類等數學密集型任務。異構系統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。基于平臺設計的基本原則是剔除基于硬件系統和基于軟件系統的“中間件”。這樣就可以讓缺乏或完全沒有FPGA設計經驗的DSP設計者能夠評估和利用FPGA協處理器的性能、成本和功耗優勢。
基于平臺的設計流程應能自動生成內存映射、軟件接口的頭文件和驅動程序文件以及硬件的接口和中斷邏輯。整體系統的改動對單個軟件和硬件組件的影響有限(見圖2)。通過這種自動化,開發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。

圖2:軟硬件接口生成
設計FPGA協處理器
任何給定的技術中都有多種方法可以實現信號處理算法。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,需要分兩步選擇實現方法。你必須首先選擇最合適的硬件器件,然后再確定哪種實現方法適合該器件。
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則用作協處理器(數據傳入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(數據從高速接口傳入)。FPGA的最佳用法取決于系統數據速率、格式和運行參數。
像德州儀器公司的DSP工具包Code Composer Studio就含代碼分析器,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。
在將FPGA與硬件平臺上獨立的DSP處理器連接時需要一個接口。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,適用于系統控制和協處理任務)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)。
系統中加入FPGA協處理器后,軟件實現就將由算法描述轉變為數據傳遞與函數控制。對于應用軟件開發者來說,FPGA協處理器將顯示為一個硬件加速器,可以通過函數調用對其進行訪問。
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