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第1章 FPGA概述1

1.1 引言1

1.1.1 FPGA1

1.1.2 可编程能力和DSP3

1.2 芯片发展简介4

1.2.1 技术特点6

1.3 可编程能力的影响7

1.4 FPGA面临的挑战9

参考文献10

第2章 DSP基础11

2.1 引言11

2.2 DSP系统基础12

2.3 DSP系统定义13

2.3.1 采样速率14

2.3.2 时延和流水线15

2.4 DSP变换17

2.4.1 快速傅里叶变换17

2.4.2 离散余弦变换18

2.4.3 小波变换19

2.4.4 离散小波变换19

2.5 滤波器结构21

2.5.1 有限冲激响应滤波器21

2.5.2 相关23

2.5.3 无限冲激响应滤波器23

2.5.4 波形数字滤波器25

2.6 自适应滤波27

2.7 自适应滤波基础27

2.7.1 自适应滤波器的应用28

2.7.2 自适应算法30

2.7.3 LMS算法31

2.7.4 RLS算法32

2.8 总结34

参考文献34

第3章 算术运算基础36

3.1 引言36

3.2 数字系统37

3.2.1 数字表示37

3.3 定点和浮点40

3.3.1 浮点表示40

3.4 算术运算41

3.4.1 加法器和减法器42

3.4.2 乘法器44

3.4.3 除法46

3.4.4 二次方根47

3.5 定点和浮点的比较51

3.6 总结53

参考文献54

第4章 FPGA技术概述56

4.1 引言56

4.2 架构和可编程能力57

4.3 DSP功能特点58

4.4 处理器分类60

4.5 微处理器60

4.5.1 ARM微处理器架构系列62

4.6 DSP微处理器62

4.6.1 DSP微运算65

4.7 并行机66

4.7.1 脉动阵列66

4.7.2 SIMD架构68

4.7.3 MIMD架构72

4.8 专用ASIC和FPGA解决方案73

4.9 总结74

参考文献74

第5章 当前的FPGA技术76

5.1 引言76

5.2 FPGA的发展77

5.2.1 FPGA的早期结构79

5.3 Altera的FPGA技术80

5.3.1 MAXR7000 FPGA技术81

5.3.2 StratixRⅢFPGA系列83

5.3.3 HardcopyR结构化ASIC系列91

5.4 XilinxFPGA技术92

5.4.1 Xilinx VirtexTM-5 FPGA技术94

5.5 Lattice FPGA系列102

5.5.1 LatticeRisp XPLD 5000MX系列102

5.6 ActelR FPGA技术105

5.6.1 ActelR Pro ASICPLUSFPGA技术105

5.6.2 ActelR反熔丝SX FPGA技术106

5.7 AtmelRFPGA技术108

5.7.1 AtmelRAT40K FPGA技术108

5.7.2 AtmelRAT40K FPGA的重构技术109

5.8 FPGA技术上的总思考109

参考文献110

第6章 FPGA实现详解111

6.1 引言111

6.2 LUT的各种形式112

6.3 可用的几种存储器115

6.4 固定系数设计技术117

6.5 分布式体系结构117

6.6 折减系数乘法器120

6.6.1 RCM的设计过程122

6.6.2 FPGA的乘法器综述125

6.7 总结125

参考文献126

第7章 FPGA的快速DSP系统设计工具和流程127

7.1 引言127

7.2 FPGA系统设计的革新128

7.2.1 时代一：定制胶合逻辑128

7.2.2 时代二：中密度逻辑128

7.2.3 时代三：分层级的SoC129

7.3 FPGA DSP设计方法的必要条件129

7.4 系统详述131

7.4.1 Petri网131

7.4.2 进程网络和数据流131

7.4.3 嵌入式多处理器软件综合132

7.4.4 GEDAE133

7.5 FPGA的IP核生成工具134

7.5.1 图解IP核发展途径134

7.5.2 Synplify DSP135

7.5.3 基于C语言的迅速IP核设计136

7.5.4 基于MATLABR的快速IP核设计136

7.5.5 其他快速IP核设计137

7.6 FPGA的系统级设计工具138

7.6.1 Compaan138

7.6.2 ESPAM138

7.6.3 Daedalus140

7.6.4 Koski140

7.7 总结141

参考文献142

第8章 基于FPGA的DSP系统的架构由来144

8.1 引言144

8.2 DSP算法特点145

8.2.1 算法特点的进一步描述146

8.3 DSP算法的表示149

8.3.1 SFG的描述149

8.3.2 DFG的描述150

8.4 FPGA上映射DSP系统的基础151

8.4.1 重定时152

8.4.2 割集定理155

8.4.3 延迟比例的应用156

8.4.4 流水线周期的计算158

8.5 并行运算162

8.6 硬件共享164

8.6.1 不折叠164

8.6.2 折叠166

8.7 FPGA中的应用170

8.8 总结170

参考文献171

第9章 IRIS行为综合工具172

9.1 行为综合工具的介绍172

9.2 IRIS行为综合工具174

9.2.1 模块化设计过程175

9.3 IRIS重定时177

9.3.1 IRIS中重定时程序的实现178

9.4 分层的设计方法181

9.4.1 白盒分层的设计方法182

9.4.2 从以前的综合架构中提取处理器模型的自动化实现183

9.4.3 IRIS中分层的电路实现187

9.4.4 分层电路中流水线周期的计算188

9.4.5 分层电路中的重定时技术190

9.5 RIS硬件共享（调度算法）的实现193

9.6 实例研究：自适应时延最小均方的实现201

9.6.1 高速实现202

9.6.2 按具体性能要求的硬件共享设计207

9.7 总结210

参考文献210

第10章 FPGA的复杂DSP核的设计213

10.1 可重用设计的动机214

10.2 IP核215

10.3 IP核的演变217

10.3.1 运算库218

10.3.2 基本DSP功能220

10.3.3 复杂的DSP功能221

10.3.4 IP核的未来221

10.4 可参数化（软）IP核221

10.4.1 适合IP开发的识别设计组件224

10.4.2 确定IP核参数225

10.4.3 针对FPGA技术的参数化特性的发展227

10.4.4 简单的FIR滤波器应用229

10.5 IP核集成231

10.5.1 设计问题232

10.5.2 接口标准化和质量控制指标233

10.6 ADPCM IP核的例子235

10.7 FPGA的IP核239

10.8 总结241

参考文献241

第11章 基于模型的异构FPGA设计243

11.1 引言243

11.2 数据流建模及快速实现基于FPGA的DSP系统244

11.2.1 SDF245

11.2.2 CSDF246

11.2.3 MSDF246

11.2.4 数据流异构系统原型247

11.2.5 分区算法实现248

11.3 DFG嵌入式软件的快速合成与优化249

11.3.1 图形级优化249

11.3.2 图形平衡操作与优化250

11.3.3 聚类操作和优化251

11.3.4 调度操作和优化252

11.3.5 代码的生成操作和优化253

11.3.6 系统级别设计方案探索中DFG触发器的可配置性253

11.3.7 DFG专用硬件的快速合成和优化254

11.3.8 专用硬件体系结构流水线的限制行为合成255

11.4 异构嵌入式DSP系统的系统级建模257

11.4.1 交叉和模块触发器在MADF中的进程258

11.5 MADF算法的流水线核心设计259

11.5.1 MADF 可配置流水线专用硬件结构的合成261

11.5.2 WBC配置262

11.6 专用硬件网络的系统级设计与开发263

11.6.1 设计示例：NLF263

11.6.2 设计示例：FBF系统265

11.7 总结268

参考文献269

第12章 自适应波束形成器实例271

12.1 引言271

12.2 通用设计过程272

12.3 自适应波未形成规范274

12.4 算法的开发276

12.4.1 自适应算法277

12.4.2 RLS实现278

12.4.3 通过QR分解求解RIS278

12.4.4 用于QR因数分解的Givens旋转279

12.5 从算法到结构282

12.5.1 DG283

12.5.2 SFG283

12.5.3 Givens旋转的脉动实现285

12.5.4 二次方的Givens旋转286

12.6 高效结构设计287

12.6.1 调度QR运算292

12.7 通用QR单元293

12.7.1 处理器阵列294

12.8 重定时通用结构302

12.8.1 重定时QR结构308

12.9 可参数化QR结构310

12.9.1 结构的选择310

12.9.2 可参数化控制311

12.9.3 线性架构311

12.9.4 稀疏线性架构312

12.9.5 矩形架构318

12.9.6 稀疏矩形架构319

12.9.7 通用QR单元320

12.10 通用控制321

12.10.1 线性与稀疏线性阵列的通用输入控制321

12.10.2 矩形与稀疏矩形阵列的通用输入控制322

12.10.3 时延对控制种子的影响323

12.11 波束形成设计实例325

12.12 总结326

参考文献327

第13章 低功率FPGA的实现329

13.1 引言329

13.2 能源消耗330

13.2.1 动态功耗330

13.2.2 静态功耗332

13.3 降低功耗的技术334

13.4 FPGA中电压按比例缩小335

13.5 开关电容的减少337

13.6 数据的重新排序337

13.7 固定参数的运算338

13.8 流水线338

13.9 区域性343

13.10 FFT实现的应用344

13.11 总结348

参考文献349

第14章 最后陈述350

14.1 引言350

14.2 可重构系统350

14.2.1 FPGA可编程技术的相关性351

14.2.2 现有重置计算352

14.2.3 重置的实现353

14.2.4 重置模型354

14.3 内存体系结构356

14.4 对浮点计算的支持357

14.5 FPGA未来的挑战357

参考文献358