eng
Выпуск #6/2022
А. Строгонов, И. Семейкин
ДИВЕРСИФИКАЦИЯ ПРОЕКТА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО КИХ-ФИЛЬТРА В БАЗИСЕ ПЛИС CYCLONE IV ОТ КОМПАНИИ ALTERA
ДИВЕРСИФИКАЦИЯ ПРОЕКТА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО КИХ-ФИЛЬТРА В БАЗИСЕ ПЛИС CYCLONE IV ОТ КОМПАНИИ ALTERA
Просмотры: 1110
DOI: 10.22184/1992-4178.2022.217.6.108.122
При разработке сложных проектов на базе отечественных ПЛИС часто возникают трудности, связанные с ограниченными ресурсами и быстродействием. В статье рассматривается диверсификация (разнообразие схемных решений) проекта последовательного КИХ-фильтра в базисе ПЛИС Altera серии Cyclone IV в условиях ограничения аппаратных ресурсов, предложены пути преодоления этих ограничений.
При разработке сложных проектов на базе отечественных ПЛИС часто возникают трудности, связанные с ограниченными ресурсами и быстродействием. В статье рассматривается диверсификация (разнообразие схемных решений) проекта последовательного КИХ-фильтра в базисе ПЛИС Altera серии Cyclone IV в условиях ограничения аппаратных ресурсов, предложены пути преодоления этих ограничений.
Теги: block memory dsp block filter coefficients fir filter fpga mac block mac-блок multiplier parallel structure блочная память ких-фильтр коэффициенты фильтра параллельная структура плис умножитель цос-блок
Диверсификация проекта последовательного КИХ-фильтра в базисе ПЛИС Cyclone IV от компании Altera
А. Строгонов, д. т. н.1, И. Семейкин, к. т. н.
При разработке сложных проектов на базе отечественных ПЛИС часто возникают трудности, связанные с ограниченными ресурсами и быстродействием. Например, для создания последовательного КИХ-фильтра на основе ПЛИС требуется всего один умножитель и аккумулятор, однако при реализации этой схемы в составе сложного проекта в базисе отечественных ПЛИС разработчик может столкнуться с недостаточным количеством блоков встроенной памяти или ЦОС-блоков, при этом тактовая частота отечественных ПЛИС не превышает 250 МГц. В статье рассматривается диверсификация (разнообразие схемных решений) проекта последовательного КИХ-фильтра в базисе ПЛИС серии Cyclone IV компании Altera на основе демонстрационного примера fir_filter в САПР Quartus II в условиях ограничения аппаратных ресурсов, предложены пути преодоления этих ограничений.
Параллельная структура позволяет вычислять результат фильтрации за один такт синхроимпульса. Параллельные фильтры обеспечивают наивысшую производительность, но требуют значительных аппаратных ресурсов ПЛИС. Механизм конвейерной обработки позволяет создавать фильтры с частотой от 120 до 300 МГц и выше.
На рис. 1 показана структура последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода с использованием одного блока умножения и накопления (MAC-блока). КИХ-фильтры, использующие в своей структуре блоки умножения и накопления, в зарубежной литературе называют MAC FIR filter (MAC КИХ-фильтры) [1, 2]. В структуре простейшего (single) MAC КИХ-фильтра, в отличие от полного параллельного фильтра, используется один умножитель с аккумулятором. Такой компромиссный вариант снижает аппаратные затраты в N раз, но также снижает и пропускную способность фильтра на тот же коэффициент. В MAC КИХ-фильтрах пропускная способность выборки обратно пропорциональна количеству его отводов, то есть при увеличении длины фильтра частота дискретизации системы пропорционально уменьшается. MAC-блок может быть реализован как на аппаратных ЦОС-блоках, так и на логических ресурсах ПЛИС.
Отказаться от использования аппаратных умножителей ЦОС-блоков позволяет распределенная арифметика [3]. В этом случае частота дискретизации КИХ-фильтра уже не будет зависеть от его длины. Например, в мегаядре (MegaCore) Altera FIR Compiler и в генераторе параметризированных ядер Xilinx CORE Generator реализована поддержка параллельной и последовательной распределенной арифметики.
В случае низкой частоты дискретизации сигнала и большого количества коэффициентов КИХ-фильтра последовательная структура MAC КИХ-фильтра является оптимальной, а использование двухпортовой блочной памяти ПЛИС в конфигурации смешанного режима позволяет реализовать линию задержки на ОЗУ (циклический буфер входных данных) и ПЗУ для хранения коэффициентов фильтра.
На рис. 2 показан КИХ-фильтр с использованием ЦОС-блока DSP48 ПЛИС Xilinx Virtex‑4 для реализации операций умножения и накопления и блочной памяти ПЛИС [2]. Данные записываются и считываются из порта A (режим ОЗУ), а коэффициенты считываются только из порта B (режим ПЗУ). В отличие от структуры параллельного КИХ-фильтра требуется наличие управляющего автомата (блок «Управление»), который обеспечивает необходимую адресную логику для организации циклического буфера ОЗУ для порта A (линия задержки) и В (ПЗУ), а также вырабатывает сигналы разрешения загрузки данных и коэффициентов в MAC-блок и захвата в регистр результата в случае, если результат накопления не может быть немедленно использован в последующей обработке. Также необходим учет латентности работы основных узлов фильтра. Так для формирования корректных значений на выходе MAC-блока и их последующего захвата регистром результата необходимо сигнал WE управляющего автомата задержать на четыре такта синхроимпульса.
Практическая реализация single MAC
КИХ-фильтров в базисе ПЛИС Altera
Рассматриваемый проект fir_filter последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода представлен в САПР Altera Quartus II Version 13.1. Проект можно найти по ссылке altera/13.1/quartus/designs/fir_filter. Кроме того, проект доступен и в более ранних САПР Altera Quartus II, а также в старших версиях САПР Quartus Prime.
В учебном пособии [4] подробно рассматривается этот же проект для реализации в ПЛИС серии APEX20K EP20K100QC208-1 с использованием анализа временных характеристик в САПР Quartus II. В оригинальном представлении его можно найти в Quartus Tutorial version 1999.10 Revision 2.
Обратим внимание лишь на некоторые моменты проекта fir_filter. В проекте fir_filter входной сигнал и коэффициенты фильтра представлены с 8- и 3‑битной точностью, а умножитель настроен на выполнение операций с числами без знака. Произведение представляется с 11‑разрядной точностью, а аккумулятор выдает результат с 8‑разрядной точностью.
Умножитель разработан на мегафункции lpm_mult, а аккумулятор описан на языке Verilog. Умножитель представлен символом, а линия задержки, коэффициенты, аккумулятор и управляющий автомат – в виде блок-схем. Умножитель настроен для работы с числами без знака в асинхронном (умножитель без синхронизации), а сумматор в синхронном режиме.
Проект использует многотактовую синхронизацию (два синхросигнала clk и clkx2). Синхросигнал clk используется для тактирования линией задержки и внутреннего регистра аккумулятора, а clkx2 – для тактирования регистром результата. Период синхросигнала clk в два раза больше clkx2.
Линия задержки (taps.v), ПЗУ для хранения коэффициентов (hvalues.v), управляющий автомат (state_m) и аккумулятор (acc.v) в оригинальном проекте представлены на языке Verilog. Verilog-коды функциональных блоков представлены в учебном пособии [4].
Вариант 1
Это вариант последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода с использованием мегафункции умножения LPM_MULT (асинхронный режим) и накопления ALTACCUMULATE.
Адаптируем оригинальный проект fir_filter к задаче проектирования последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода [5–7] y = C0x0 + C1x1 + C2x2 + C3x3 со следующими коэффициентами C0 = –2, C1 = –1, C2 = 7, C3 = 6 в базисе ПЛИС Cyclone IV EP4CGX22CF19C6 (содержит 80 умножителей с размерностью операндов 9 × 9). Входной сигнал и коэффициенты фильтра представим с 8‑разрядной точностью.
Для линии задержки (taps.v), ПЗУ для хранения коэффициентов (hvalues.v) и управляющего автомата (state_m.v) используем оригинальный Verilog-код [4]. Умножитель настроен на работу с числами со знаком в асинхронном режиме. Во всех рассматриваемых вариантах реализации КИХ-фильтра умножитель строится на аппаратном умножителе ЦОС-блока, без использования логических ресурсов ПЛИС.
На рис. 3 показан проект последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода, а на рис. 4 демонстрируется функциональное моделирование прохождения сигнала по структуре КИХ-фильтра. На вход фильтра поступает сигнал –5, 3, 1, 0, 0 и 0 и т. д. Правильные значения на выходе фильтра: 10, –1, –40, –10, 25, 6 и т. д.
Аккумулятор работает в синхронном режиме, и его латентность составляет один такт синхросигнала. Для согласования работы управляющего автомата и аккумулятора необходимо выходной сигнал first автомата подключить ко входу сигнала синхронной загрузки аккумулятора sload.
Результат умножения и вычисления суммы произведений представляются с 16‑разрядной точностью. Для получения правильных значений профильтрованного сигнала на выходе yn_out[15..0] необходимо выходной сигнал follow управляющего автомата задержать на два такта синхросигнала и подключить его ко входу разрешения тактирования ena регистра результата.
Вариант 2
Этот вариант представляет собой модификацию варианта 1, в котором умножитель работает в синхронном режиме (рис. 5, 6). Остальные блоки без изменений. Латентность умножителя и аккумулятора составляет один такт синхросигнала. Для согласования работы управляющего автомата, умножителя и аккумулятора необходимо выходной сигнал first автомата задержать на один такт синхросигнала с помощью двухтактного триггера, выход которого подключен ко входу сигнала синхронной загрузки аккумулятора sload. А сигнал follow задержать на два такта с помощью двух триггеров.
Вариант 3
Рассмотрим вариант, когда умножитель и аккумулятор реализованы на мегафункции умножения и накопления ALTMULT_ACCUM без регистров на входах и выходах умножителя (рис. 7). Линия задержки, ПЗУ, управляющий автомат представлены оригинальным Verilog-кодом.
Выходной сигнал автомата first необходимо подключить ко входу синхронной загрузки аккумулятора accum_sload. Для получения правильных значений профильтрованного сигнала на выходе yn_out[15..0] необходимо выходной сигнал follow задержать на один такт синхросигнала, поскольку умножитель в мегафункции ALTMULT_ACCUM работает в асинхронном режиме.
Вариант 4
В этом варианте рассматривается последовательный КИХ-фильтр на четыре отвода с использованием управляющего автомата, разработанного с помощью редактора State Flow. На основе оригинального Verilog-кода управляющего автомата (state_m.v) с помощью редактора State Flow восстановим его графическое представление (рис. 8) и извлечем в автоматическом режиме из его описания VHDL-код (SM_fir.vhd). Остальные блоки и учет латентности – как в варианте 3. Каких-либо дополнительных согласований работы блоков по латентности не требуется. Выходной сигнал follow необходимо задержать на один такт синхросигнала. Интересен вариант 4 представлением адресного сигнала sel[1..0]. В графическом схемном редакторе используется иное обозначение – sel[1:0]. На рис. 9 показан проект последовательного КИХ-фильтра с использованием VHDL-кода, извлеченного из графического представления. Функциональное моделирование (рис. 10) подтверждает правильность работы данного варианта.
Вариант 5
Этот вариант представляет собой модификацию варианта 4. Покажем, как можно реализовать аккумулятор без использования мегафункции ALTACCUMULATE. Для этого необходимо использовать аккумулятор на основе синхронного сумматора на мегафункции lpm_add_sub и шинного мультиплексора 2 в 1 на мегафункции lpm_mux в обратной связи (рис. 11, 12). На один из входов мультиплексора необходимо подключить константу – логический ноль. Выходной сигнал follow необходимо задержать на один такт синхронизации.
Вариант 6
Представляет собой вариант 4 с той лишь разницей, что линия задержки организована на регистрах (рис. 13). Из оригинального проекта fir_filter используется лишь асинхронное ПЗУ, представленное Verilog-кодом. Отводы линии задержки коммутируются на один из входов умножителя с помощью шинного мультиплексора 4 в 1. Как и в вариантах 1, 3, 4, 5, в которых умножитель работает в асинхронном режиме, в этом случае сигнал first напрямую подключается ко входу accum_sload мегафункции ALTMULT_ACCUM, а сигнал follow задерживается на два такта синхронизации. Результаты моделирования представлены на рис. 14.
Далее в рассматриваемых проектах используется одночастотная синхронизация (варианты 7–9).
Вариант 7
Линию задержки также можно реализовать на основе двухпортовой памяти с использованием мегафункции altshift_taps (Shift Register (RAM-based)) со следующими установками: число отводов – 4; дистанция между отводами – 4 (рис. 15). Коммутация отводов линии задержки осуществляется с помощью шинного мультиплексора 4 в 1, на адресный вход которого подключается выход управляющего автомата sel[1..0]. В проекте используется одночастотная синхронизация и все блоки оригинального проекта fir_filter заменены.
ПЗУ для хранения коэффициентов фильтра реализуется на мегафункции ROM: 1 port с инициализацией. Мегафункция настроена так, что к адресной и выходной шине данных подключены дополнительные регистры для организации конвейеризации. Такая настройка приводит к тому, что ПЗУ работает в синхронном режиме.
Мегафункция умножения и накопления ALTMULT_ACCUM представлена с конвейеризующими регистрами на входах и на выходах умножителя, с двумя регистрами на входе синхронной загрузки accum_sload.
Учет латентности может быть осуществлен следующим образом. Сигнал first управляющего автомата напрямую подключается ко входу accum_sload мегафункции ALTMULT_ACCUM. Сигнал follow нужно задержать на три такта синхросигнала, число триггеров определяется по числу уровней конвейеризации. В данных настройках мегафункции умножения и накопления используются три уровня. К выходной шине данных ПЗУ необходимо подключить два регистра и один регистр на вход линии задержки. В этом случае сигналы x[7..0] (номер отвода линии задержки зависит от значения на адресной шине мультиплексора) и h[7..0] (коэффициенты) перемножаются корректно. На рис. 16 показаны временные диаграммы.
Вариант 8
Проект отличается от варианта 7 тем, что в качестве управляющего автомата для генерации адресов используется 2‑разрядный счетчик на четыре состояния (мегафункция lpm_counter) для адресации к мультиплексору и ПЗУ (рис. 17, 18). В качестве сигнала first, задержанного на один такт синхронизации, используется выход cout счетчика (сигнал сквозного переноса, который возникает, когда на выходах счетчика q[1..0] устанавливается число 3). Использование асинхронного ПЗУ приводит к тому, что для правильного умножения необходимо коэффициенты задержать на четыре такта с помощью четырех регистров.
Вариант 9
Это вариант последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода с использованием линии задержки на двухпортовой памяти Simple Dual Port в режиме old memory contents appear, а синхронное ПЗУ реализуется на мегафункции ROM: 1 port с инициализацией. Используется мегафункция умножения и накопления ALTMULT_ACCUM с регистрами на входах и на выходах умножителя, с регистром на входе синхронной загрузки accum_sload и дополнительным регистром на выходе сумматора (рис. 19).
В этом варианте линия задержки реализуется в виде циклического буфера в ОЗУ (такое решение характерно для ЦОС-процессоров, как, например, реализовано в вычислительном процессоре микроконтроллера STM32F4 на ядре Cortex-M4), когда новые значения записываются в память на место старых. Блоки памяти ПЛИС компании Altera для отображения значений на выходной шине q в случае одновременного чтения и записи по одинаковому адресу могут работать в трех режимах: new_data, old_data и don't_care. При выборе режима old_data на выходной шине q отображаются старые данные, хранящиеся в ОЗУ по конкретному адресу прежде, чем новые данные будут записаны по тому же адресу в память.
В режиме don't_care при одновременном чтении и записи по одинаковому адресу новые данные записываются в память, а на выходной шине q считываемые значения отображаются в виде символа «x» (unknown values).
В режиме new_data новые данные записываются в память и одновременно отображаются на выходе блока памяти. Выбор режимов new_data, old_data и don't_care зависит от типа блока памяти ПЛИС. В данном проекте используются блоки памяти типа M9K.
Как и в варианте 8, сигнал first получен задержкой сигнала с выхода cout. А сигнал yvalid получен задержкой сигнала first на два такта. Функциональное моделирование (рис. 20) подтверждает правильность работы КИХ-фильтра.
Результаты реализации проектов
в базисе ПЛИС Cyclone IV
В табл. 1 представлены результаты размещения проектов в базис ПЛИС Cyclone IV EP4CGX22CF19C6 и оценка быстродействия (максимальная частота переключения триггеров, Fmax), полученная с помощью приложения TimeQuest без учета временных ограничений (без sdc-файла). Каждый из рассмотренных проектов по объему занимает менее 1% логических и аппаратных ресурсов ПЛИС.
Для вариантов 1–6 с двухчастотной (clk и clkx2) и для вариантов 7–9 с одночастотной (clk) синхронизацией без использования заранее созданного пользователем scd-файла САПР Quartus II автоматически запускает Classic Timing Analyzer и в качестве требования к синхронизации по умолчанию применяет значение частоты Fmax_REQUIREMENT, равное 1 000 МГц (типовая полоса обрабатываемого радиосигнала или производительность, характерная для ЦОС-процессоров: 1 ГГц / 4 такта = 250 Мвыб / с).
На рис. 21 представлен отчет с отрицательными запасами по времени (Slack) по параметру Minimum Pulse Width „clk“ модели Slow при 1 200 мВ и 0 °C для варианта 3 при работе на заданной частоте 1 000 МГц. Следовательно, необходимо ограничить частоты синхронизации до появления положительных запасов по времени.
Для вариантов 1–6 с двухчастотной синхронизацией (clk и clkx2) используем следующий scd-файл с частотами 100 МГц (период 10 нс) для порта clk и 200 МГц (период 5 нс) для порта clkx2:
create_clock -name {clk}
-period 10.000
-waveform {0.000 2.000}
[get_ports {clk}],
create_clock -name {clkx2}
-period 5.000
-waveform {0.000 2.000}
[get_ports {clkx2}].
Тестирование для вариантов 1–6 с частотами 100 и 200 МГц показало наличие положительных запасов по параметру Minimum Pulse Width „clk“. В качестве примера на рис. 22 представлен отчет с положительными запасами по параметру Minimum Pulse Width „clk“ модели Slow при 1 200 мВ и 0 °C для варианта 3. Однако, для двухчастотной синхронизации, в отличие от одночастотной, при использовании sdc-файла приложение TimeQuest не рассчитывает величину Fmax. В табл. 1 для вариантов 7–9 дополнительно приведена оценка быстродействия для одночастотной синхронизации:
create_clock -name {clk}
-period 10.000
-waveform {0.000 2.000}
[get_ports {clk}].
Заключение
По своей структуре последовательные MAC КИХ-фильтры в базисах ПЛИС Xilinx и Altera схожи и отличаются лишь разной латентностью работы основных узлов фильтра, реализуемых на блоках встроенной памяти и ЦОС-блоках. Особенностью последовательных КИХ-фильтров является наличие управляющего автомата, который адресуется к линии задержки и ПЗУ для хранения коэффициентов фильтра, а также управляет MAC-блоком и регистром результата.
В статье представлено девять вариантов реализации проекта последовательного КИХ-фильтра от простого до сложного с использованием циклического буфера в двухпортовой памяти ОЗУ, синхронного ПЗУ и конвейризованного MAC-блока. Проекты задействуют примерно одинаковое количество логических и аппаратных ресурсов ПЛИС Cyclone IV EP4CGX22CF19C6 (менее 1%), но имеют разное быстродействие. Наивысшее быстродействие показывают проекты 7, 8 и 9 с использованием конвейеризации и блочной памяти ПЛИС для организации линии задержки. Для двухчастотной (clk = 100 МГц и clkx2 = 200 МГц) и одночастотной (clk = 100 МГц) синхронизации при использовании файлов временных ограничений обеспечены положительные запасы на рассматриваемых частотах.
ЛИТЕРАТУРА
Meyer-Baese U. Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays. Fourth Edition // http://www.springer.com/series/4748.
Xilinx. DSP: Designing for Optimal Results High-Performance DSP Using Virtex‑4 FPGAs // DSP Products Advanced Design Guide. Edition 1.0. March 2005.
Строгонов А. В. Применение Altera DSP Builder системы Matlab / Simulink для разработки имитационной модели КИХ-фильтра на параллельной распределенной арифметике // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 3. C. 1–9.
Комолов Д. А., Мяльк Р. А., Зобенко А. А., Филиппов А. С. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+plus II и Quartus II. Краткое описание и самоучитель. М.: ИП РадиоСофт, 2002. 352 с.
Строгонов А. В. Реализация алгоритмов цифровой обработки сигналов в базисе программируемых логических интегральных схем: Учебное пособие / 4‑е изд., испр. и доп. СПб: Издательство «Лань», 2019. 352 с.
Строгонов А. В., Цыбин С. А., Городков П. С. Проектирование последовательных КИХ-фильтров в САПР ПЛИС Quartus II // Компоненты и технологии. 2016. № 1. С. 10–15.
Строгонов А. В., Цыбин С. А., Городков П. С. Особенности использования двухпортовой памяти при проектировании последовательных КИХ-фильтров в САПР ПЛИС Quartus II // Компоненты и технологии. 2016. № 4. С. 40–46.
А. Строгонов, д. т. н.1, И. Семейкин, к. т. н.
При разработке сложных проектов на базе отечественных ПЛИС часто возникают трудности, связанные с ограниченными ресурсами и быстродействием. Например, для создания последовательного КИХ-фильтра на основе ПЛИС требуется всего один умножитель и аккумулятор, однако при реализации этой схемы в составе сложного проекта в базисе отечественных ПЛИС разработчик может столкнуться с недостаточным количеством блоков встроенной памяти или ЦОС-блоков, при этом тактовая частота отечественных ПЛИС не превышает 250 МГц. В статье рассматривается диверсификация (разнообразие схемных решений) проекта последовательного КИХ-фильтра в базисе ПЛИС серии Cyclone IV компании Altera на основе демонстрационного примера fir_filter в САПР Quartus II в условиях ограничения аппаратных ресурсов, предложены пути преодоления этих ограничений.
Параллельная структура позволяет вычислять результат фильтрации за один такт синхроимпульса. Параллельные фильтры обеспечивают наивысшую производительность, но требуют значительных аппаратных ресурсов ПЛИС. Механизм конвейерной обработки позволяет создавать фильтры с частотой от 120 до 300 МГц и выше.
На рис. 1 показана структура последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода с использованием одного блока умножения и накопления (MAC-блока). КИХ-фильтры, использующие в своей структуре блоки умножения и накопления, в зарубежной литературе называют MAC FIR filter (MAC КИХ-фильтры) [1, 2]. В структуре простейшего (single) MAC КИХ-фильтра, в отличие от полного параллельного фильтра, используется один умножитель с аккумулятором. Такой компромиссный вариант снижает аппаратные затраты в N раз, но также снижает и пропускную способность фильтра на тот же коэффициент. В MAC КИХ-фильтрах пропускная способность выборки обратно пропорциональна количеству его отводов, то есть при увеличении длины фильтра частота дискретизации системы пропорционально уменьшается. MAC-блок может быть реализован как на аппаратных ЦОС-блоках, так и на логических ресурсах ПЛИС.
Отказаться от использования аппаратных умножителей ЦОС-блоков позволяет распределенная арифметика [3]. В этом случае частота дискретизации КИХ-фильтра уже не будет зависеть от его длины. Например, в мегаядре (MegaCore) Altera FIR Compiler и в генераторе параметризированных ядер Xilinx CORE Generator реализована поддержка параллельной и последовательной распределенной арифметики.
В случае низкой частоты дискретизации сигнала и большого количества коэффициентов КИХ-фильтра последовательная структура MAC КИХ-фильтра является оптимальной, а использование двухпортовой блочной памяти ПЛИС в конфигурации смешанного режима позволяет реализовать линию задержки на ОЗУ (циклический буфер входных данных) и ПЗУ для хранения коэффициентов фильтра.
На рис. 2 показан КИХ-фильтр с использованием ЦОС-блока DSP48 ПЛИС Xilinx Virtex‑4 для реализации операций умножения и накопления и блочной памяти ПЛИС [2]. Данные записываются и считываются из порта A (режим ОЗУ), а коэффициенты считываются только из порта B (режим ПЗУ). В отличие от структуры параллельного КИХ-фильтра требуется наличие управляющего автомата (блок «Управление»), который обеспечивает необходимую адресную логику для организации циклического буфера ОЗУ для порта A (линия задержки) и В (ПЗУ), а также вырабатывает сигналы разрешения загрузки данных и коэффициентов в MAC-блок и захвата в регистр результата в случае, если результат накопления не может быть немедленно использован в последующей обработке. Также необходим учет латентности работы основных узлов фильтра. Так для формирования корректных значений на выходе MAC-блока и их последующего захвата регистром результата необходимо сигнал WE управляющего автомата задержать на четыре такта синхроимпульса.
Практическая реализация single MAC
КИХ-фильтров в базисе ПЛИС Altera
Рассматриваемый проект fir_filter последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода представлен в САПР Altera Quartus II Version 13.1. Проект можно найти по ссылке altera/13.1/quartus/designs/fir_filter. Кроме того, проект доступен и в более ранних САПР Altera Quartus II, а также в старших версиях САПР Quartus Prime.
В учебном пособии [4] подробно рассматривается этот же проект для реализации в ПЛИС серии APEX20K EP20K100QC208-1 с использованием анализа временных характеристик в САПР Quartus II. В оригинальном представлении его можно найти в Quartus Tutorial version 1999.10 Revision 2.
Обратим внимание лишь на некоторые моменты проекта fir_filter. В проекте fir_filter входной сигнал и коэффициенты фильтра представлены с 8- и 3‑битной точностью, а умножитель настроен на выполнение операций с числами без знака. Произведение представляется с 11‑разрядной точностью, а аккумулятор выдает результат с 8‑разрядной точностью.
Умножитель разработан на мегафункции lpm_mult, а аккумулятор описан на языке Verilog. Умножитель представлен символом, а линия задержки, коэффициенты, аккумулятор и управляющий автомат – в виде блок-схем. Умножитель настроен для работы с числами без знака в асинхронном (умножитель без синхронизации), а сумматор в синхронном режиме.
Проект использует многотактовую синхронизацию (два синхросигнала clk и clkx2). Синхросигнал clk используется для тактирования линией задержки и внутреннего регистра аккумулятора, а clkx2 – для тактирования регистром результата. Период синхросигнала clk в два раза больше clkx2.
Линия задержки (taps.v), ПЗУ для хранения коэффициентов (hvalues.v), управляющий автомат (state_m) и аккумулятор (acc.v) в оригинальном проекте представлены на языке Verilog. Verilog-коды функциональных блоков представлены в учебном пособии [4].
Вариант 1
Это вариант последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода с использованием мегафункции умножения LPM_MULT (асинхронный режим) и накопления ALTACCUMULATE.
Адаптируем оригинальный проект fir_filter к задаче проектирования последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода [5–7] y = C0x0 + C1x1 + C2x2 + C3x3 со следующими коэффициентами C0 = –2, C1 = –1, C2 = 7, C3 = 6 в базисе ПЛИС Cyclone IV EP4CGX22CF19C6 (содержит 80 умножителей с размерностью операндов 9 × 9). Входной сигнал и коэффициенты фильтра представим с 8‑разрядной точностью.
Для линии задержки (taps.v), ПЗУ для хранения коэффициентов (hvalues.v) и управляющего автомата (state_m.v) используем оригинальный Verilog-код [4]. Умножитель настроен на работу с числами со знаком в асинхронном режиме. Во всех рассматриваемых вариантах реализации КИХ-фильтра умножитель строится на аппаратном умножителе ЦОС-блока, без использования логических ресурсов ПЛИС.
На рис. 3 показан проект последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода, а на рис. 4 демонстрируется функциональное моделирование прохождения сигнала по структуре КИХ-фильтра. На вход фильтра поступает сигнал –5, 3, 1, 0, 0 и 0 и т. д. Правильные значения на выходе фильтра: 10, –1, –40, –10, 25, 6 и т. д.
Аккумулятор работает в синхронном режиме, и его латентность составляет один такт синхросигнала. Для согласования работы управляющего автомата и аккумулятора необходимо выходной сигнал first автомата подключить ко входу сигнала синхронной загрузки аккумулятора sload.
Результат умножения и вычисления суммы произведений представляются с 16‑разрядной точностью. Для получения правильных значений профильтрованного сигнала на выходе yn_out[15..0] необходимо выходной сигнал follow управляющего автомата задержать на два такта синхросигнала и подключить его ко входу разрешения тактирования ena регистра результата.
Вариант 2
Этот вариант представляет собой модификацию варианта 1, в котором умножитель работает в синхронном режиме (рис. 5, 6). Остальные блоки без изменений. Латентность умножителя и аккумулятора составляет один такт синхросигнала. Для согласования работы управляющего автомата, умножителя и аккумулятора необходимо выходной сигнал first автомата задержать на один такт синхросигнала с помощью двухтактного триггера, выход которого подключен ко входу сигнала синхронной загрузки аккумулятора sload. А сигнал follow задержать на два такта с помощью двух триггеров.
Вариант 3
Рассмотрим вариант, когда умножитель и аккумулятор реализованы на мегафункции умножения и накопления ALTMULT_ACCUM без регистров на входах и выходах умножителя (рис. 7). Линия задержки, ПЗУ, управляющий автомат представлены оригинальным Verilog-кодом.
Выходной сигнал автомата first необходимо подключить ко входу синхронной загрузки аккумулятора accum_sload. Для получения правильных значений профильтрованного сигнала на выходе yn_out[15..0] необходимо выходной сигнал follow задержать на один такт синхросигнала, поскольку умножитель в мегафункции ALTMULT_ACCUM работает в асинхронном режиме.
Вариант 4
В этом варианте рассматривается последовательный КИХ-фильтр на четыре отвода с использованием управляющего автомата, разработанного с помощью редактора State Flow. На основе оригинального Verilog-кода управляющего автомата (state_m.v) с помощью редактора State Flow восстановим его графическое представление (рис. 8) и извлечем в автоматическом режиме из его описания VHDL-код (SM_fir.vhd). Остальные блоки и учет латентности – как в варианте 3. Каких-либо дополнительных согласований работы блоков по латентности не требуется. Выходной сигнал follow необходимо задержать на один такт синхросигнала. Интересен вариант 4 представлением адресного сигнала sel[1..0]. В графическом схемном редакторе используется иное обозначение – sel[1:0]. На рис. 9 показан проект последовательного КИХ-фильтра с использованием VHDL-кода, извлеченного из графического представления. Функциональное моделирование (рис. 10) подтверждает правильность работы данного варианта.
Вариант 5
Этот вариант представляет собой модификацию варианта 4. Покажем, как можно реализовать аккумулятор без использования мегафункции ALTACCUMULATE. Для этого необходимо использовать аккумулятор на основе синхронного сумматора на мегафункции lpm_add_sub и шинного мультиплексора 2 в 1 на мегафункции lpm_mux в обратной связи (рис. 11, 12). На один из входов мультиплексора необходимо подключить константу – логический ноль. Выходной сигнал follow необходимо задержать на один такт синхронизации.
Вариант 6
Представляет собой вариант 4 с той лишь разницей, что линия задержки организована на регистрах (рис. 13). Из оригинального проекта fir_filter используется лишь асинхронное ПЗУ, представленное Verilog-кодом. Отводы линии задержки коммутируются на один из входов умножителя с помощью шинного мультиплексора 4 в 1. Как и в вариантах 1, 3, 4, 5, в которых умножитель работает в асинхронном режиме, в этом случае сигнал first напрямую подключается ко входу accum_sload мегафункции ALTMULT_ACCUM, а сигнал follow задерживается на два такта синхронизации. Результаты моделирования представлены на рис. 14.
Далее в рассматриваемых проектах используется одночастотная синхронизация (варианты 7–9).
Вариант 7
Линию задержки также можно реализовать на основе двухпортовой памяти с использованием мегафункции altshift_taps (Shift Register (RAM-based)) со следующими установками: число отводов – 4; дистанция между отводами – 4 (рис. 15). Коммутация отводов линии задержки осуществляется с помощью шинного мультиплексора 4 в 1, на адресный вход которого подключается выход управляющего автомата sel[1..0]. В проекте используется одночастотная синхронизация и все блоки оригинального проекта fir_filter заменены.
ПЗУ для хранения коэффициентов фильтра реализуется на мегафункции ROM: 1 port с инициализацией. Мегафункция настроена так, что к адресной и выходной шине данных подключены дополнительные регистры для организации конвейеризации. Такая настройка приводит к тому, что ПЗУ работает в синхронном режиме.
Мегафункция умножения и накопления ALTMULT_ACCUM представлена с конвейеризующими регистрами на входах и на выходах умножителя, с двумя регистрами на входе синхронной загрузки accum_sload.
Учет латентности может быть осуществлен следующим образом. Сигнал first управляющего автомата напрямую подключается ко входу accum_sload мегафункции ALTMULT_ACCUM. Сигнал follow нужно задержать на три такта синхросигнала, число триггеров определяется по числу уровней конвейеризации. В данных настройках мегафункции умножения и накопления используются три уровня. К выходной шине данных ПЗУ необходимо подключить два регистра и один регистр на вход линии задержки. В этом случае сигналы x[7..0] (номер отвода линии задержки зависит от значения на адресной шине мультиплексора) и h[7..0] (коэффициенты) перемножаются корректно. На рис. 16 показаны временные диаграммы.
Вариант 8
Проект отличается от варианта 7 тем, что в качестве управляющего автомата для генерации адресов используется 2‑разрядный счетчик на четыре состояния (мегафункция lpm_counter) для адресации к мультиплексору и ПЗУ (рис. 17, 18). В качестве сигнала first, задержанного на один такт синхронизации, используется выход cout счетчика (сигнал сквозного переноса, который возникает, когда на выходах счетчика q[1..0] устанавливается число 3). Использование асинхронного ПЗУ приводит к тому, что для правильного умножения необходимо коэффициенты задержать на четыре такта с помощью четырех регистров.
Вариант 9
Это вариант последовательного КИХ-фильтра на четыре отвода с использованием линии задержки на двухпортовой памяти Simple Dual Port в режиме old memory contents appear, а синхронное ПЗУ реализуется на мегафункции ROM: 1 port с инициализацией. Используется мегафункция умножения и накопления ALTMULT_ACCUM с регистрами на входах и на выходах умножителя, с регистром на входе синхронной загрузки accum_sload и дополнительным регистром на выходе сумматора (рис. 19).
В этом варианте линия задержки реализуется в виде циклического буфера в ОЗУ (такое решение характерно для ЦОС-процессоров, как, например, реализовано в вычислительном процессоре микроконтроллера STM32F4 на ядре Cortex-M4), когда новые значения записываются в память на место старых. Блоки памяти ПЛИС компании Altera для отображения значений на выходной шине q в случае одновременного чтения и записи по одинаковому адресу могут работать в трех режимах: new_data, old_data и don't_care. При выборе режима old_data на выходной шине q отображаются старые данные, хранящиеся в ОЗУ по конкретному адресу прежде, чем новые данные будут записаны по тому же адресу в память.
В режиме don't_care при одновременном чтении и записи по одинаковому адресу новые данные записываются в память, а на выходной шине q считываемые значения отображаются в виде символа «x» (unknown values).
В режиме new_data новые данные записываются в память и одновременно отображаются на выходе блока памяти. Выбор режимов new_data, old_data и don't_care зависит от типа блока памяти ПЛИС. В данном проекте используются блоки памяти типа M9K.
Как и в варианте 8, сигнал first получен задержкой сигнала с выхода cout. А сигнал yvalid получен задержкой сигнала first на два такта. Функциональное моделирование (рис. 20) подтверждает правильность работы КИХ-фильтра.
Результаты реализации проектов
в базисе ПЛИС Cyclone IV
В табл. 1 представлены результаты размещения проектов в базис ПЛИС Cyclone IV EP4CGX22CF19C6 и оценка быстродействия (максимальная частота переключения триггеров, Fmax), полученная с помощью приложения TimeQuest без учета временных ограничений (без sdc-файла). Каждый из рассмотренных проектов по объему занимает менее 1% логических и аппаратных ресурсов ПЛИС.
Для вариантов 1–6 с двухчастотной (clk и clkx2) и для вариантов 7–9 с одночастотной (clk) синхронизацией без использования заранее созданного пользователем scd-файла САПР Quartus II автоматически запускает Classic Timing Analyzer и в качестве требования к синхронизации по умолчанию применяет значение частоты Fmax_REQUIREMENT, равное 1 000 МГц (типовая полоса обрабатываемого радиосигнала или производительность, характерная для ЦОС-процессоров: 1 ГГц / 4 такта = 250 Мвыб / с).
На рис. 21 представлен отчет с отрицательными запасами по времени (Slack) по параметру Minimum Pulse Width „clk“ модели Slow при 1 200 мВ и 0 °C для варианта 3 при работе на заданной частоте 1 000 МГц. Следовательно, необходимо ограничить частоты синхронизации до появления положительных запасов по времени.
Для вариантов 1–6 с двухчастотной синхронизацией (clk и clkx2) используем следующий scd-файл с частотами 100 МГц (период 10 нс) для порта clk и 200 МГц (период 5 нс) для порта clkx2:
create_clock -name {clk}
-period 10.000
-waveform {0.000 2.000}
[get_ports {clk}],
create_clock -name {clkx2}
-period 5.000
-waveform {0.000 2.000}
[get_ports {clkx2}].
Тестирование для вариантов 1–6 с частотами 100 и 200 МГц показало наличие положительных запасов по параметру Minimum Pulse Width „clk“. В качестве примера на рис. 22 представлен отчет с положительными запасами по параметру Minimum Pulse Width „clk“ модели Slow при 1 200 мВ и 0 °C для варианта 3. Однако, для двухчастотной синхронизации, в отличие от одночастотной, при использовании sdc-файла приложение TimeQuest не рассчитывает величину Fmax. В табл. 1 для вариантов 7–9 дополнительно приведена оценка быстродействия для одночастотной синхронизации:
create_clock -name {clk}
-period 10.000
-waveform {0.000 2.000}
[get_ports {clk}].
Заключение
По своей структуре последовательные MAC КИХ-фильтры в базисах ПЛИС Xilinx и Altera схожи и отличаются лишь разной латентностью работы основных узлов фильтра, реализуемых на блоках встроенной памяти и ЦОС-блоках. Особенностью последовательных КИХ-фильтров является наличие управляющего автомата, который адресуется к линии задержки и ПЗУ для хранения коэффициентов фильтра, а также управляет MAC-блоком и регистром результата.
В статье представлено девять вариантов реализации проекта последовательного КИХ-фильтра от простого до сложного с использованием циклического буфера в двухпортовой памяти ОЗУ, синхронного ПЗУ и конвейризованного MAC-блока. Проекты задействуют примерно одинаковое количество логических и аппаратных ресурсов ПЛИС Cyclone IV EP4CGX22CF19C6 (менее 1%), но имеют разное быстродействие. Наивысшее быстродействие показывают проекты 7, 8 и 9 с использованием конвейеризации и блочной памяти ПЛИС для организации линии задержки. Для двухчастотной (clk = 100 МГц и clkx2 = 200 МГц) и одночастотной (clk = 100 МГц) синхронизации при использовании файлов временных ограничений обеспечены положительные запасы на рассматриваемых частотах.
ЛИТЕРАТУРА
Meyer-Baese U. Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays. Fourth Edition // http://www.springer.com/series/4748.
Xilinx. DSP: Designing for Optimal Results High-Performance DSP Using Virtex‑4 FPGAs // DSP Products Advanced Design Guide. Edition 1.0. March 2005.
Строгонов А. В. Применение Altera DSP Builder системы Matlab / Simulink для разработки имитационной модели КИХ-фильтра на параллельной распределенной арифметике // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 3. C. 1–9.
Комолов Д. А., Мяльк Р. А., Зобенко А. А., Филиппов А. С. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+plus II и Quartus II. Краткое описание и самоучитель. М.: ИП РадиоСофт, 2002. 352 с.
Строгонов А. В. Реализация алгоритмов цифровой обработки сигналов в базисе программируемых логических интегральных схем: Учебное пособие / 4‑е изд., испр. и доп. СПб: Издательство «Лань», 2019. 352 с.
Строгонов А. В., Цыбин С. А., Городков П. С. Проектирование последовательных КИХ-фильтров в САПР ПЛИС Quartus II // Компоненты и технологии. 2016. № 1. С. 10–15.
Строгонов А. В., Цыбин С. А., Городков П. С. Особенности использования двухпортовой памяти при проектировании последовательных КИХ-фильтров в САПР ПЛИС Quartus II // Компоненты и технологии. 2016. № 4. С. 40–46.
Отзывы читателей
