??? 二十多年來,，F(xiàn)PGA 為世人提供了最靈活,、適應性極強、快速的設計環(huán)境,。早期的 DSP 設計人員發(fā)現(xiàn),，可將一種可再編程的門海用于數(shù)字信號處理" title="數(shù)字信號處理">數(shù)字信號處理。如果把內(nèi)置到 FPGA 架構中的乘法器" title="乘法器">乘法器,、加法器和累加單元結合起來,，就可以利用大規(guī)模并行計算實現(xiàn)有效的濾波器算法。

??? 在未加工頻率性能方面的損失,，通過并行計算得到了彌補,，而且得遠大于失，可謂“失之東隅,，收之桑榆”,；由此獲得的 DSP 帶寬完全可與替代方案媲美。隨著時間的推移,，乘法器和加法器的實施越來越高效,。1998 年，Xilinx 順理成章推出了第一個集成于 Virtex-II FPGA 系列產(chǎn)品中的嵌入式乘法器,。Xilinx ?Virtex-II 和 Virtex-II Pro 系列產(chǎn)品深得人心,，推動基于 FPGA 的 DSP 更上層樓，打破了每秒十億次 MAC 運算的壁障,。

??? 在數(shù)字通訊,、軍事、國防,、視頻和圖像市場需求的助推下,，Xilinx 進一步做出調(diào)整,，成功應對了一系列獨特挑戰(zhàn)，使極大規(guī)模并行實施方式跨上又一個新臺階,。隨著乘法器和加法器性能和數(shù)量的增長,，對功耗進行管理也變得越來越困難。

??? Xilinx 的工程師們設計出了 DSP48 Slice,，使這一難題迎刃而解,。DSP48 Slice是一種超低功耗" title="低功耗">低功耗、高性能" title="高性能">高性能,、全方位的數(shù)字信號處理元件,，可方便地實現(xiàn)級聯(lián)" title="級聯(lián)">級聯(lián)，而不占用任何 FPGA 架構資源,。此元件在 Virtex-5 器件中得到進一步加強,，并重新命名為 DSP48E Slice，能支持更高的精度,、SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）操作,、集成模式檢測電路和邏輯單元。

??? 對快速數(shù)據(jù)輸入和系數(shù)存儲器的需求促使 Xilinx 構建起一個數(shù)字信息處理平臺,，其中的 DSP48E Slice 含有率之大前所未見,，并且擁有極其充裕的 Block RAM 和分布式 RAM。作為畫龍點睛之筆,，Xilinx 在此平臺中使用了運行速度高達 3.125 Gbps 的集成高速串行通道,，在芯片上移入和移出數(shù)據(jù)變得更為快捷。風云際會,，這些元件組合在一起,，Virtex-5 SXT 平臺由此應運而生。

Virtex-5 SXT 引擎 – DSP48E Slice?

??? 想要理解 FPGA 中數(shù)字信號處理的演變過程,，必須回顧一下 DSP48E Slice（見圖 1）,，及其設計的三個主要方面。

• 集成乘法器和第二階段,。利用集成的二級加法器/減法器/累加器擴展乘法器的運算?，F(xiàn)在，在單獨一個 DSP48E Slice 中,，就可以執(zhí)行最常見的 DSP 運算組合了,。
• 緊縮實施。為了提高性能,、降低功耗,，各個 DSP48E Slice 被設計成獨立元件，然后通過接口像積木塊一樣連接到一起，而每一個 DSP48E Slice 都包含獨立于 FPGA 架構的專用路徑和緩沖,。
• 全方位定制設計,。Xilinx 很早就確定，要實現(xiàn)高性能和低功耗,，一個按照最新工藝尺寸度身打造的全方位定制設計是必不可少的,。Xilinx 設計團隊與 Arithmetica 通力協(xié)作，將乘法器和加法器電路 MathIP 庫加以集成,，進一步提高了效率,。

??? 以這種設計為依托，DSP48E Slice 的實施在性能和低功耗效率方面達到了前所未有的水平,。Virtex-5 器件中的 DSP48E Slice 分別以高速 550 MHz,、中速 500 MHz 和低速 450 MHz 運行,。無論您單獨使用一個 DSP48E Slice 還是將所有 640 個 DSP48E Slice 匯集到最大的 Virtex-5 SXT 器件中,，都可以達到這一性能（使用專用的級聯(lián)邏輯實現(xiàn)每秒 3520 億次乘法累積運算）。而且,，實現(xiàn)這一令人嘆為觀止的性能,，僅僅使用了 DSP48E Slice，完全沒有消耗邏輯或 FPGA 路徑資源,。

??? 這種專用的級聯(lián)邏輯意味著能耗的計算是基于每一個 DSP48E Slice 的,，也即其運行速度和輸入的翻轉率。單個 DSP48E Slice 的實測典型功耗為 1.38 mW/100 MHz,。不難算出,，假定 Virtex-5 SX95T 器件中所有 640 個 Slice 均以 550 MHz 運行，而翻轉率為通常的 38%,，則所有 DSP48E Slice 的總體動態(tài)功耗為 4.92W,。

低功耗、高性能設計技術?

??? 為了充分利用獨特的 Virtex-5 SXT 架構進行數(shù)字信號處理,，建議遵循如下的簡易指南：

• 實施能最大化使用 DSP48E Slice 的濾波器算法,。每一個 25 x 18 位的 DSP48E Slice 都等同于 500 個以上可編程邏輯 Slice，功耗為同等邏輯實施的 1/10,，單獨或鏈接運行速度高達 550 MHz,。
• 利用 DSP48E Slice 的所有功能。每一個 DSP48E Slice 都可配置成獨立的 25 x 18 乘法器,，一個 25 x 18 位乘法器兼加法器/減法器/累加器,，或者一個 48 x 48 位加法器或減法器。每一個 DSP48E Slice 都支持 SIMD 運行以及對稱或收斂圓整,。
• 實施定點或浮點運算,。DSP48E Slice 不僅對于定點 FIR、FFT 或復雜的過濾器運算而言是理想的產(chǎn)品，25 x 18 的輸入大小和級聯(lián)路徑還使我們可以使用兩個 DSP48E Slice 來實現(xiàn)高效的 24 x 24 無符號浮點運算,。

在數(shù)字信號應用中使用 DSP48E Slice?

??? Virtex-5 SXT 平臺中 DSP48E Slice,、Block RAM、邏輯和數(shù)千兆位級收發(fā)器的獨特結合,，為 DSP 過濾器的應用提供了高成本效益,、高性能、低功耗的解決方案,。為了說明這一點,，讓我們看看 Virtex-4 SX 和 Virtex-5 SXT 器件平臺中無線卡的應用，對比一下兩種情況下的功耗差別,。?

??? WiMAX 數(shù)字前端 (DFE) 集成了以下內(nèi)容：數(shù)字上變頻 (DUC) /數(shù)字下變頻 (DDC),、振幅因數(shù)縮小 (CFR) 和自動增益控制 (AGC)。本設計中要求的過濾功能正好與一個 Virtex-4 SX25 FPGA 或一個 Virtex-5 SX35T FPGA 所能提供的 DSP48E Slice 相匹配,。本設計運行頻率為 276 MHz,，消耗 Virtex-4 SX25 FPGA 中 73% 的 DSP48 資源（128 個中的 95 個），或者 Virtex-5 SX35T FPGA 中 48% 的 DSP48E 資源（196 個中的 95 個）,。

??? 盡管單看 WiMAX DFE 方案的表現(xiàn)和用于其實施的資源已令人驚嘆,，真正堪稱一絕的還是其功耗效率。本設計主要使用 DSP48 或者 DSP48E Slice,，但也消耗 Block RAM 和邏輯,。表 1 對這些方案進行了對比，并展示由 Virtex-4 到 Virtex-5 器件的實測功耗和降低水平,。

?

結論?