接下来，我会开一系列学习使用
matlab来设计
FPGA为DSP的过程
实时信号处理系统要求必须具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时性；其次对系统的
体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。实时信号处理算法中经常用到对图象的求和、求
差运算，二维梯度运算，图象分割及区域特征提取等不同层次、不同种类的处理。其中有的
运算本身结构比较简单，但是数据量大，计算速度要求高；有些处理对速度并没有特殊的要
求，但计算方式和控制结构比较复杂，难以用纯硬件实现。因此，实时信号处理系统是对运
算速度要求高、运算种类多的综合性信息处理系统。
１ 信号处理系统的类型与常用处理机结构
根据信号处理系统在构成、处理能力以及计算问题到硬件结构映射方法的不同，将现代
信号处理系统分为三大类：
·指令集结构（ＩＳＡ）系统。在由各种微处理器、ＤＳＰ处理器或专用指令集处理器
等组成的信号处理系统中，都需要通过系统中的处理器所提供的指令系统（或微代码）来描
述各种算法，并在指令部件的控制下完成对各种可计算问题的求解。
·硬连线结构系统。主要是指由专用集成
电路（ＡＳＩＣ）构成的系统，其基本特征是
功能固定、通常用于完成特定的算法，这种系统适合于实现功能固定和数据结构明确的计算
问题。不足之处主要在于：设计周期长、成本高，且没有可编程性，可扩展性差。
·可重构系统。基本特征是系统中有一个或多个可重构器件（如ＦＰＧＡ），可重构处
理器之间或可重构处理器与ＩＳＡ结构处理器之间通过互连结构构成一个完整的计算系统。
从系统信号处理系统的构成方式来看，常用的处理机结构有下面几种：单指令流单数据
流（ＳＩＳＤ）、单指令流多数据流（ＳＩＭＤ）、多指令流多数据流（ＭＩＭＤ）。
·ＳＩＳＤ结构通常由一个处理器和一个存贮器组成，它通过执行单一的指令流对单一
的数据流进行操作，指令按顺序读取，数据在每一时刻也只能读取一个。弱点是单片处理器
处理能力有限，同时，这种结构也没有发挥数据处理中的并行性潜力，所以在实时系统或高
速系统中，很少采用ＳＩＳＤ结构。
· ＳＩＭＤ结构系统由一个控制器、多个处理器、多个存贮模块和一个互连网络组成。
所有“活动的”处理器在同一时刻执行同一条指令，但每个处理器执行这条指令时所用的数
据是从它本身的存储模块中读取的。对操作种类多的算法，当要求存取全局数据或对于不同
的数据要求做不同的处理时，它是无法独立胜任的。另外，ＳＩＭＤ 一般都要求有较多的
处理单元和极高的Ｉ／Ｏ吞吐率，如果系统中没有足够多的适合ＳＩＭＤ 处理的任务，采
用ＳＩＭＤ 是不合算的。
· ＭＩＭＤ结构就是通常所指的多处理机，典型的ＭＩＭＤ系统由多台处理机、多个存
储模块和一个互连网络组成，每台处理机执行自己的指令，操作数也是各取各的。ＭＩＭＤ
结构中每个处理器都可以单独编程，因而这种结构的可编程能力是最强的。但由于要用大量
的硬件资源解决可编程问题，硬件利用率不高。
２ ＤＳＰ＋ＡＳＩＣ结构
随着大规模可编程器件的发展，采用ＤＳＰ＋ＡＳＩＣ结构的信号处理系统显示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，ＡＳＩＣ芯片具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时，可降低成本。
现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）是在专用ＡＳＩＣ的基础上发展出来的，它克服了专用ＡＳＩＣ不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。目前，ＦＰＧＡ的容量已经跨过了百万门级，使得ＦＰＧＡ成为解决系统级设计的重要选择方案之一。ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ结构最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。实时信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用ＦＰＧＡ进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。
高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、
通信机制强大的ＤＳＰ芯片来实现。
３ 线性流水阵列结构
在我们的工作中，设计并实现了一种实时信号处理结构。它采用模块化设计和线性流水阵列结构(图１)。
这种线性流水阵列结构具有如下特点：
·接口简单。各处理单元（ＰＵ）之间采用统一
的外部接口。
·易于扩充和维护。各个ＰＵ的内部结构完全相
同，而且外部接口统一，所以系统很容易根据需要
进行硬件的配置和扩充。当某个模块出现故障时，
也易于更换。
·处理模块的规范结构能够支持多种处理模式，
可以适应不同的处理算法。
每个ＰＵ的核心由ＤＳＰ芯片和可重构器件Ｆ
ＰＧＡ组成，另外还包括一些外围的辅助电路，如
存储器、先进先出（ＦＩＦＯ）器件及ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ等（图２）。可重构器件电路与
ＤＳＰ处理器相连，利用ＤＳＰ处理器强大的Ｉ／Ｏ功能实现单元电路内部和各个单元之间
的通信。从ＤＳＰ的角度来看，可重构器件ＦＰＧＡ相当于它的宏功能协处理器（Ｃｏ－ｐ
ｒｏｃｅｓｓｏｒ）。
ＰＵ中的其他电路辅助核心电路进行工作。DSP和ARM各自带有ＲＡＭ，用于存
放处理过程所需要的数据及中间结果。ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ中存储了ＤＳＰ的执行程序和Ｆ
ＰＧＡ的配置数据。先进先出（ＦＩＦＯ）器件则用于实现信号处理中常用到的一些操作，
如延时线、顺序存储等。
每个ＰＵ单独做成一块ＰＣＢ，各级ＰＵ之间通过插座与底板相连。底板的结构很简单，主
要由几个串连的插座构成，其作用是向各个ＰＵ提供通信通道和
电源供应。可以根据需要安
排底板上插座的个数，组成多级线性阵列结构。这种模块化设计的突出优点在于，它使得对
系统的功能扩充和维护变得非常简单。需要时，只要插上或更换ＰＵ电路板，就可以实现系
统的扩展和故障的排除。每一级ＰＵ中的ＤＳＰ都有通信端口与前级和后级ＰＵ电路板相
连，可以很方便地控制和协调它们之间的工作。
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