数字信号处理架构下FPGA，ARM，DSP的对比

电子工程师 2018-03-21 4838

FPGA/ASIC技术

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描述

从数字信号处理架构来对比FPGA，ARM，DSP的优势，使用Theano，Python，PYNQ和Zynq开发定点Deep Recurrent神经网络，如何在 Zynq UltraScale+ MPSoC 上实现 Linux UIO 设计。

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1.内容概要

信号处理系统一般不单单是模拟信号或者数字信号，一般两者都会有。信号的处理关注的是信号以及信号所包含的信息的表示、变换及运算。

数字信号处理

图1 典型的数字信号处理系统

1》模拟信号（analog signal）的输入一般包括（声、电、光、热等）模拟的连续信号；

2》模拟信号抗混叠（anti-aliasing filter）希望分开两个或多个混叠在一起的信号，或者增强某些信号；

3》AD将模拟信号转换成数字信号；

4》DSP/FPGA/ARM/MPU数字信号处理。

整个系统分为三个域，从模拟到数字，再到数字信号处理，再到数字变模拟。

数字信号处理一般所研究的内容涉及采样、滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩以及识别等；数字信号处理的理论和算法是密不可分的；相对于模拟信号系统处理，数字信号处理体积小、功耗低、精度高、易于大规模集成以及可进行二维以及多维处理等优势。

数字信号处理系统的性能取决于三个因素：采样频率、架构和字长。

2.典型处理器对比

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：

（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；

（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；

（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；

（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；

（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；

（7）可以并行执行多个操作；

（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

当然，与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

MPU（Microprocessor Unit）微处理器

微机中的中央处理器（CPU）称为微处理器（MPU），是构成微机的核心部件，也可以说是微机的心脏。它起到控制整个微型计算机工作的作用，产生控制信号对相应的部件进行控制，并执行相应的操作。

微处理器的功能结构主要包括：运算器、控制器、寄存器三部分：

运算器的主要功能就是进行算术运算和逻辑运算。

控制器是整个微机系统的指挥中心，其主要作用是控制程序的执行。包括对指令进行译码、寄存，并按指令要求完成所规定的操作，即指令控制、时序控制和操作控制。

寄存器用来存放操作数、中间数据及结果数据。

FPGA 具有规则的可编程结构，可实现各种逻辑功能。

1》运算能力强，并行能力强。

2》设计过程中具有很大的灵活性。

3》通过集成可以降低系统成本。

3.混合系统

数字信号处理

图2 FPGA作为协处理系统

数字信号处理

图3 FPGA作为预处理系统

数字信号处理

图4 FPGA+DSPs+ARM的数字信号处理系统

如图2、3和4数字信号处理系统，在不同的情况下我们可以采用不同的系统，具体根据芯片各自的优势来选择不同的系统。

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