ESL綜合解決方案提高DSP的設計效率，推動ASICS與FPGA器件發(fā)展(圖)

電子產(chǎn)品中數(shù)字信號處理(DSP)芯片的使用率正急劇增加?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)可支持數(shù)百萬個門，并以DSP為中心，這種特性使其性能比標準的DSP芯片有了大幅提升。此外，F(xiàn)PGA還可進行中小型批量生產(chǎn)，能支持非常強大的原型設計與驗證技術，以實現(xiàn)DSP算法的實時仿真。但為FPGA和ASIC創(chuàng)建可移植性算法IP也面臨著諸多挑戰(zhàn)與要求。
本文將介紹如何通過ESL綜合技術大幅縮短在FPGA或ASIC上實現(xiàn)算法所需的時間，并簡化相關工作。

FPGA和ASIC之間RTL移植所面臨的挑戰(zhàn)
盡管RTL支持邏輯級的移植性，但卻不支持架構層移植。如果將同一RTL在不同的目標器件上實現(xiàn)，會導致結果不夠理想；在不同目標器件中，綜合結果可能在功能上正確，但卻根本沒有優(yōu)化。

如何選擇算法架構取決于一個基本問題，即滿足算法的采樣率和吞吐能力要求，需要進行多少流水線、并行和串行優(yōu)化處理。此外，F(xiàn)IR、FFT、正弦、余弦、除法等基本的DSP功能根據(jù)目標技術的不同，有著不同的優(yōu)化實現(xiàn)要求。比如，F(xiàn)IR濾波器的直接形式與轉置形式(transposed form)就是一個很好的例子，一種適用于特定的FPGA器件，而另一種則更適用于ASIC技術。

根據(jù)FPGA和ASIC的不同要求，我們往往需要不同的架構。眾所周知，FPGA器件傾向于以寄存器為中心，而許多ASIC到FPGA移植指南也建議增加流水線設計，對所有端口進行寄存，并將組合邏輯分解為較小的部分。這樣的設計在ASIC上實現(xiàn)就會增加面積，但這是滿足FPGA時序要求所必需的。

如果以ASIC為目標，我們往往需要完全相反的做法。這時我們建議將寄存器最小化，以盡可能減小占用面積與功耗。我們可以采用時分復用和資源共享的辦法來提高時鐘速度，從而最小化乘法器及其他浪費資源的操作。消費類及無線產(chǎn)品市場領域中的近期設計趨勢就是仔細平衡上述做法的結果。

ASIC RTL和FPGA RTL之間不可避免的差別之一在于存儲器的使用。就FPGA而言，器件內(nèi)置了標準存儲器。根據(jù)FPGA工具流程和廠商的不同，我們需要特定的編碼風格來描述存儲陣列和存儲器。高質(zhì)量FPGA綜合工具會自動將RTL代碼映射到存儲器上實現(xiàn)。不過，在ASIC領域中，IP和制造庫廠商(fab library vendor)的存儲器選項多種多樣，用戶要根據(jù)具體的配置選擇和編輯存儲器，并在RTL設計中進行例化。

許多文章和資料都介紹了在 FPGA 和 ASIC 之間轉移 IP 的編碼風格及移植技術問題。在不同器件類型之間移植實施方案，需要進行大量的編碼與驗證工作，并擁有精湛的的專業(yè)技術。

如果首先用FPGA進行原型設計，再移植為ASIC設計，那么還要面臨更多的挑戰(zhàn)。在需要實時刺激和實際速度驗證的情況下，就會出現(xiàn)上述問題。為了滿足上述要求，我們應當保證仿真模型之間的位和采樣準確度，特別是FPGA實現(xiàn)和ASIC模型不能出問題。這要求我們做大量工作，尤其是實現(xiàn)方案不同或經(jīng)常變化時更應如此。此外，我們還必須手動修改、比較和調(diào)試測試工具。

ESL 綜合解決方案
ESL 綜合解決方案能提供強大的性，有助于解決上述諸多問題。
● 使用電子系統(tǒng)層級 (ESL) 模型，支持高級架構與硬件抽象；
● 根據(jù)用戶定義的采樣率進行自動優(yōu)化；
● 用戶選擇目標技術；
● 為多速率設計提供原生支持。

圖1  從統(tǒng)一 ESL 模型快速實現(xiàn)設計方案

利用上述特性，DSP 綜合引擎可根據(jù)用戶定義的約束條件在了解目標的基礎上進行整個系統(tǒng)優(yōu)化，對不同的 RTL進行綜合。這些為優(yōu)化架構和特定編碼風格而定的RTL 隨后可進入標準化的邏輯綜合流程。

利用ESL綜合技術，我們可以在一個高度抽象的層面完成設計工作，這不僅提高了可移植性，縮短了開發(fā)時間，而且還提高了工程設計的工作效率。除了保持RTL級的IP之外，我們還能在算法模型層保持IP，從而提高可移植性以及算法開發(fā)人員的工作效率。

如圖1所示，DSP綜合技術使用戶能通過統(tǒng)一的算法模型快速生成并實現(xiàn)多種不同實施方案。FPGA可使用完全并行的流水線架構，也可像ASIC一樣采用占用面積更小的串聯(lián)架構。此外，不同實施方案能自動保持位和采樣的準確度，并通過標準化的RTL仿真工具實現(xiàn)完整的驗證路徑。與此形成對比的是，參數(shù)化的原理圖輸入法，和那些需要用戶在了解面積、延遲特性之前就確定具體架構的RTL方法，其移植到新的實施目標時往往需要進行大量的修改。

表1 針對Virtex-4 FPGA的自動折疊優(yōu)化綜合對濾波器吞吐能力和硬件共享的影響

用DSP 綜合技術進行算法實施
支持DSP綜合和自動優(yōu)化架構的工具（如 Synplicity的Synplify DSP工具）能提供設計優(yōu)勢，從而有助于在 FPGA和ASIC上順利實現(xiàn)設計。在DSP綜合步驟之前，用戶不必定義目標器件并做出架構優(yōu)化選擇。DSP綜合引擎隨后可從算法模型開始綜合RTL優(yōu)化實施方案。

我們特別要注意時序優(yōu)化（Retiming）和折疊（Folding）選項。時序優(yōu)化選項使我們能修改架構以使用流水線形式和其他技術來達到理想的性能目標，但會造成輸出時延。折疊選項使設計方案能共享硬件，但會降低吞吐能力(即要在資源利用率和最大采樣率之間進行平衡取舍)。

表2 串行化和硬件共享使65-tap FIR濾波器的實施方案占用面積縮減了一半

* 表示面積單位的量度為2.8平方納米，這大約是雙輸入NAND門的大小。
** 乘法器用邏輯（門）實施。
*** 提取的存儲器為雙端口。

架構實現(xiàn)
自動DSP綜合引擎的優(yōu)勢在于，它能快速實現(xiàn)多種架構和目標技術。這種設計空間實現(xiàn)過程有助于顯著優(yōu)化解決方案，特別是在我們需要考慮在多種 FPGA 和 ASIC技術上實現(xiàn)DSP算法時會特別有用。

以下我們給出一個時序優(yōu)化和折疊優(yōu)化范例，看看這兩個選項如何在速度與占位面積間做出重要的取舍。首先，我們在Virtex-4 FPGA中生成4個10 MHz 64-tap FIR濾波器：其中1個作為基準，另外3個采用不同的折疊因數(shù)（folding factors），用來在不同程度上縮減面積占用。我們用Synplify DSP RTL的邏輯綜合技術來生成結果如表1所示。

表2中給出了對于相同設計的 ASIC 實現(xiàn)方案的類似分析數(shù)據(jù)。我們從中可以看出在采用90納米技術情況下，完全并行與完全串行兩種極端實施方案相對比的面積差值。

我們從表2中可以明顯看出，在更低的采樣率且允許共享硬件的情況下，DSP綜合技術能自動縮減面積占用。此外，強大的ESL功能則能通過利用更高的時鐘頻率更方便地在各種技術上實現(xiàn)。同時，由于我們可在統(tǒng)一的算法模型基礎上開展工作，因此無須改變模型 或重新驗證模型。

結論
上述簡單 FIR 范例反映出，DSP 綜合技術有助于我們快速高效地根據(jù)相關性能與占用面積的準確仿真進行架構權衡。這樣，用戶就有了實現(xiàn)多種架構的可能性，其中包括定點設計考慮事項等重要實施細節(jié)，同時還能高效獲取有用的性價比數(shù)據(jù)。這樣，我們就能在高級算法基礎上實現(xiàn)最佳 FPGA 與 ASIC 實施方案，同時盡可能縮短設計時間。
EDA 行業(yè)似乎正向著實現(xiàn)初期 ESL 設計優(yōu)勢的方向發(fā)展，既要發(fā)揮針對硬件原型設計的集成式設計流程的優(yōu)勢，又要充分利用發(fā)貨系統(tǒng)。