如何使用LUT實(shí)現(xiàn)FPGA中的DSP功能

　　作為賽靈思的現(xiàn)場(chǎng)工程師，我常常問這樣的問題：我們是否能夠提供一款其功能可滿足客戶所有獨(dú)特設(shè)計(jì)要求的DSP內(nèi)核。有時(shí)候內(nèi)核會(huì)太大，太小或者不夠快。有時(shí)，我們會(huì)開發(fā)一款能確切滿足客戶需求的內(nèi)核，并迅速以CORE GeneratorTM商標(biāo)推出。不過即便在這種情況下，客戶仍然想要一套特定的DSP功能，而且刻不容緩。在這些情況下，我常常建議他們使用我們器件中的插值查找表來定制他們的DSP功能。

　　查找表 （LUT） 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)存儲(chǔ)元件，能夠根據(jù)任何給定的輸入狀態(tài)組合，“查找”輸出，以確保每個(gè)輸入都有確切的輸出。采用LUT來實(shí)現(xiàn) DSP功能具有一些重大優(yōu)勢(shì)：

　　您可用諸如MATLAB?或Simulink?等高抽象層編程語言改變LUT內(nèi)容。

　　您可以設(shè)計(jì)一項(xiàng)DSP功能來運(yùn)行那些采用離散邏輯運(yùn)算將極度困難的數(shù)學(xué)函數(shù)，比如 y=log（x）、y=exp（x）、y=1/x、y=sin（x） 等。

　　LUT還可輕松執(zhí)行在可配置邏輯塊 （CLB） 芯片，以及嵌入式乘法單元或DSP48可編程乘法累加 （MAC） 單元方面可能要求過多FPGA資源的復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)。

　　不過，以這種方式使用LUT當(dāng)然也會(huì)存在一些弊端。當(dāng)您使用LUT來實(shí)現(xiàn)DSP功能時(shí)，您必須使用塊RAM （BRAM） 元件。若執(zhí)行函數(shù) y=sqrt（x）（其中x 表示16位輸入，y 表示18位輸出），每個(gè)變量則需要約64個(gè)18KB BRAM單元。如果，比如說，您的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)小型化Spartan?器件，或者您有太多的運(yùn)算需要執(zhí)行，無法為每個(gè)變量省出64個(gè)BRAM單元，建議您放棄這種需要如此大量BRAM單元的方法，從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來看，這種方法代價(jià)太大。

　　插值LUT方法不僅具有LUT方法在實(shí)現(xiàn)DSP功能時(shí)所帶來的各種優(yōu)勢(shì)，而且無需使用太多BRAM單元。采用這種方法，您可以使用來自容量較小的LUT （比如，1000字 LUT）的連續(xù)輸出，線性地對(duì)其內(nèi)插，以模擬更大容量的LUT。這樣，您就可以實(shí)現(xiàn)比1000 字 LUT 更高的數(shù)值分辨率。此外，通過這種方法，僅需 1 個(gè) BRAM、1 個(gè)嵌入式乘法器（或DSP48），以及少數(shù)幾個(gè)CLB芯片便可實(shí)施控制邏輯，因此LUT的使用成本變得更加合理化。而且，從信噪比的角度來看，其數(shù)值精度也是非常讓人滿意。

　　當(dāng)然，應(yīng)用插值LUT （ILUT） 方法需要一定的技巧。舉例來說，采用該方法執(zhí)行y=sqrt（x） 函數(shù)時(shí)，可以清楚地顯示ILUT在面積占用、時(shí)序和數(shù)值精度方面的性能。我們先大致看一下這個(gè)示例，然后我再講解部分實(shí)例，說明如何使用這種方法來滿足客戶截然不同的需求，比如讓傳遞函數(shù)呈非線性的傳感器實(shí)現(xiàn)線性化，以及實(shí)施自適應(yīng)有限脈沖響應(yīng)（FIR） 濾波器以消除合成孔徑雷達(dá) （SAR） 圖像上的斑點(diǎn)噪聲。