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【s10全球总决赛冠军外围】用插值查找表简便实现FPGA的DSP功能的方法


本文摘要:作为晶闸管的现场工程师,我经常问你是否需要获得DSP核心,该核心具有可应对客户自己拒绝设计的功能。

作为晶闸管的现场工程师,我经常问你是否需要获得DSP核心,该核心具有可应对客户自己拒绝设计的功能。内核可能不会太大、太小或太晚。

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在某些情况下,COREGeneratorTM商标可能不会开发明确满足客户市场需求的核心,而是立即上市。但是,即使在这种情况下,客户仍在考虑特定的DSP功能集,刻不容缓。在这种情况下,我经常建议他们用于我们设备的插值查找表以定制他们的DSP功能。查询表(LUT )实质上是存储元件,为了保证各输出有明确的输入,需要根据等价输出状态的人群查询输入。

使用LUT构建DSP功能有一个根本的优点,即可以使用低抽象层编程语言(如MATLAB和Simulink )转换LUT内容。设计DSP功能,可以运营ly=log(x )、y=exp(x )、y=1/x、y=sin(x )等非常难以使用线性逻辑运算的数学函数。LUT还可以配备逻辑块(CLB)l芯片,在嵌入式乘法单元或DSP48可编程乘法加法(MAC )单元中,出色地继续执行可能拒绝过剩的FPGA资源的简单数学函数。

但是,这样用于LUT当然也没有什么弊端。在LUT中构建DSP功能时,必须使用块RAM(BRAM )组件。

如果继续执行函数y=sqrt(x)(x为16位输出,y响应18位输入),则每个变量需要约64个18KBBRAM单元。例如,如果目标是构建小型化的Spartan设备,或者必须继续执行很多运算,不能为每个变量节省64个BRAM单元,则建议删除这样大量的BRAM单元。

从系统架构的角度来看,这种方法太昂贵了。插值LUT方法不仅具备LUT方法在构筑DSP功能时带来的各种优点,而且需要用于很多BRAM单元。使用此方法,可以用于来自小容量LUT (例如1000字LUT )的倒数输入,并将其乘以线性,以模拟更大容量的LUT。

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这样可以构建比1000字LUT更高的数值分辨率。此外,这种方法允许只使用一个BRAM、一个嵌入式乘法器(或DSP48 )和少数CLB芯片执行控制逻辑,从而进一步简化了LUT的使用成本。另外,从信噪比的观点来看,数值精度也非常令人失望。

当然,应用于插值LUT(ILUT )方法需要一定的技术。例如,如果使用该方法继续执行y=sqrt(x )函数,则可以正确地表示ILUT的面积空闲、时间序列、数值精度的性能。

再看一遍这个例子,然后执行使传递函数为圆形非线性的传感器线性化、用于避免合成孔径雷达(SAR )图像上的散斑噪声的自适应限制冲激响应(FIR )滤波器等,用于应对客户完全不同的市场需求的方法图1.SystemGeneratorforDSP中插值查询表的顶级框图SystemGeneratorforDSP部署设计用于在机器人FPGA上执行DPS算法,MathWorksSimulink SystemGenerator可以自动调用COREGenerator来创建DSP构建块分解的优化网络列表,这要归功于Simulink环境中的siling DSP模块组。Simulink是双精度浮点设计工具,SystemGenerator是定点运算工具。总之,组合使用这两个工具,可以定义各信号的总位数和各信号的二进制方位,可以通过定点运算巧妙地处理得分。建模结果周期准确,位为真,因此可以轻松地与MATLAB脚本和Simulink模块分解的浮点参考值进行比较,以检查分析误差。

图1显示了SystemGenerator中ILUT方案的顶层结构图。为了尽量使该方法一般化,假设nx=16比特中的输出变量x的预定范围是0x<1,其格式是无符号16比特加上二进制点的右侧的16比特,也称为Ufix_16_16格式。最低有效地位(MSB )和低有效地位(LSB )模块分别对应于输出数据nb=10的最低有效位和nx-nb=6的最低有效位。

这些信号被命名为x0和dx。y=sqrt(x )输入以Ufix_17_17的形式以ny=17位的二进制数进行响应。

图2显示了使用1000字小容量LUT的双端口RAM模块的部署过程。由于此模块是只读存储器,因此布尔常量模块We_const强制加载一个回合。

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信号X0和X0 1用于ROM表前面的两个地址。Data_const模块的零常数定义任意ROM字的大小(在本例中为ny )。以下公式说明了在以x0为x的最低有效地位下,如何在两个未知点(x0,y0 )和(x1,y1 )之间放置显示为(x,y )的点。请注意,x1和x0是此小容量LUT的相邻地址,其间每隔一年只有一个。

由于该小容量LUT的地址空间是nb比特,所以该LSB的值是2nb。图2SystemGeneratorforDSP中的小容量LUT图3SystemGeneratorforDSP的线性内插插图内挂步骤图3。

Reinterpret模块可以在不转移二进制表示的情况下转移dx=x-x0信号。这是通过复位二进制小数点(从UFix_6_0到UFix_6_6的格式),输入nx-nb位的二进制分数,计算出(x-x0)/2-nb的值。从硬件的角度来看,这些模块没有任何空闲状态。

总的来说(根据用ILUT法应用的函数类型),如果y1=0且y0=0,则可以强制y1-y0=1,而不是0得到1/2-nb。使用Mux、Rational、Constant和Constant1模块继续这项工作。只有其馀的Mult、Add和Sub模块继续执行线性插值表达式。在此示例中,Mult模块的输入信号强制为17位分辨率,而不是理论上拒绝的23位分辨率。

因为整体的数值精度对本实验来说足够了。另外,y-sqrt(x )函数以圆形单调减少,因此所有的结果都没有符号。换句话说,根据函数对数据类型展开需要不同的仔细调整,但与图3右图的原理相去甚远。


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