利用All Programmable FPGA 和 SoC 實現(xiàn)高速無線電設計

“更快”是每個系統(tǒng)設計師必備的詞匯，基于FPGA的設計亦是如此。如果您經(jīng)常試圖從FPGA設計中最大化地發(fā)掘每個MHz的性能，那么無疑Xilinx剛發(fā)布的一個白皮書您一定會非常感興趣。它的題目是“利用賽靈思All Programmable FPGA 和 SoC 實現(xiàn)高速無線電設計（ Enabling High-Speed Radio Designs with Xilinx All Programmable FPGAs and SoCs”。如果您正在設計高速無線電蜂窩系統(tǒng)等，您就該看下這份白皮書。但其中的指南和技巧遠不只適用于無線設計，它還適用于使用可編程邏輯設計的各個高速系統(tǒng)。

白皮書指出的宗旨是“如果符合一些簡單的設計原則，高速無線設計可以很容易地建立在7系列FPGA架構上。Xilinx公司已經(jīng)創(chuàng)建了典型無線數(shù)據(jù)路徑的設計范例，表明中速級(-2)器件上使用的幾乎100%的 slice資源都支持500 MHz以上的時鐘頻率。

然而，這個白皮書中的內(nèi)容適用于所有數(shù)據(jù)路徑設計。

白皮書中的示例架構是單天線路徑DUC （數(shù)字上變頻器）架構，支持三種不同的時鐘速率： 245.76 MHz、368.64 MHz、和491.52 MHz。該設計利用Xilinx System Generator工具中的IP (FIR編譯器)、結構元件(如，DSP48基元的實例化)、接口VHDL代碼等進行構建。白皮書顯示DUC設計按照三個時鐘速率實現(xiàn)的關鍵的利用率指標：

首先需要注意的是，一般來說DSP48 slice數(shù)與時鐘速率成反比。Block RAM資源也按照階躍函數(shù)隨時鐘速率降低。這在無線電信號處理設計中較常見，其中Block RAM基本上用來按照相對高的采樣率存儲大量函數(shù)運算的系數(shù)集合，例如，DDS（直接數(shù)字合成器）的正弦/余弦值，峰值抵消脈沖產(chǎn)生器中的CFR （波峰因數(shù)衰減）系數(shù)，或DPD （數(shù)字預失真）模型中的非線性函數(shù)抽樣。

該分析不象邏輯資源那樣簡單。當時鐘頻率從368.64轉換至491.52 MHz（1.33時鐘比） ，按照比例LUT和FF的數(shù)據(jù)量分別減少了1.34和1.44倍。將時鐘速率從245.76放大一倍至491.52 MHz，這些數(shù)據(jù)減少了1.8倍和1.7倍。這種非線性行為基本上是為執(zhí)行信號處理控制邏輯，不需要按照時鐘頻率進行線性放大。

信號采樣率也影響資源利用率。比如，采樣速率為25 Msamples/sec的濾波器帶寬在250 MHz運行時與帶寬在500 MHz運行時相比所需的邏輯資源略降低兩倍。采樣速率為500 Msamples/sec的多相實現(xiàn)帶寬在250 MHz運行時與帶寬在500 MHz時相比，所需的邏輯資源增加兩倍。對邏輯資源使用的一階估計是時鐘頻率增加x倍相當于邏輯利用率減少0.85至1.1倍。

這些設計數(shù)據(jù)加上白皮書內(nèi)的更多數(shù)據(jù)顯示在設計基于FPGA的高性能系統(tǒng)時的常用建議：

適當?shù)牧魉€程序當然是設計高速程序的關鍵因素。

需要構建一個以上Block RAM的存儲時，可通過選擇最大限度地減少數(shù)據(jù)復用和資源利用的配置優(yōu)化速度。舉例來說， 存儲16位數(shù)據(jù)的16K存儲器最好使用16K × 1位的Block RAM進行構建，而不是1K × 16位的Block RAM。
DSP slice邏輯本質(zhì)上可支持較高的時鐘速率。邏輯電平與數(shù)據(jù)路由路徑的數(shù)量限制了速度，因此在構建高速設計時應在每一個或兩個LUT電平上插入一個寄存器。

定義合理的層次結構，按照邏輯分區(qū)將設計劃分成相應的功能模塊。這種層次結構提供便于在層次邊界寄存輸出的方法，從而限制特定模塊的關鍵路徑。這樣分析和修復在單一模塊中定位的時序路徑就很容易。實際上，定位超高時鐘速度時，應在層次結構的一些層級使用多個寄存器級，以優(yōu)化時序并為后端工具留下更多設計空間。好的設計層次結構應該將相關的邏輯集成在一起，使得區(qū)域分組和邏輯壓縮更為有效。

建立適當?shù)膶哟谓Y構可在多個模塊時獲取可重復結果。

在模塊級應用實現(xiàn)屬性，可令代碼簡單并具可擴展性，該屬性可傳播該模塊中聲明的所有信號。

良好的時鐘管理和時鐘分配方法至關重要。

盡可能減少獨立主時鐘數(shù)量。

將時鐘元件放在設計層次結構的頂層，以便在多個模塊共享時鐘，這將減少所需的時鐘資源，提高時序性能，并降低資源和功率利用率。

在不相關時鐘域之間使用適當?shù)脑偻郊夹g。

同樣的，必須定義足夠多的重置策略。一般情況下，不需要重置每個寄存器。重置寄存器不需要創(chuàng)建高扇出 nets，原因是那樣會降低時序性能，提高路由復雜性。只有在重置絕對必要的時候再進行重置。

最小化復位網(wǎng)絡的大小。

避免全局復位。

優(yōu)選同步復位，實際上對DSP48邏輯片和Block RAM是強制的。

限制時鐘“使能”的使用。實際上這條規(guī)則難以實現(xiàn)，原因是在多周期實現(xiàn)中時鐘“使能”通常需要評估數(shù)據(jù)樣本或操作符輸出。實現(xiàn)有效的降低功耗技術很有效。在任何情況下，必須適當寄存時鐘使能信號以刪除高扇出 nets。

因此，如果您正在開發(fā)基于FPGA的高速設計，即使不是數(shù)字射頻應用，您有必要盡快下載和閱讀上述白皮書以開始您的設計—— “利用賽靈思All Programmable FPGA 和 SoC 實現(xiàn)高速無線電設計”。