Сравнение характеристик ПЛИС и ЦСП для определения целесообразности разработки устройств на их основе в области цифровой обработки сигнала

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Шидловский Д.Ю., Руфицкий М. В. СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛИС И ЦСП ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ РАЗРАБОТКИ УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ В ОБЛАСТИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
Введение. В приложениях цифровой обработки сигнала в зависимости от серийности устройств в качестве элементной базы могут применяться цифровые сигнальные процессоры (ЦСП), программируемые логические микросхемы (ПЛИС) или специализированные микросхемы.
В таких устройствах как компьютерные видеокарты, игровые телевизионные приставки и мобильные телефоны обычно используются специализированные микросхемы, поскольку их производство окупается большим объемом выпуска. В средствах радиосвязи, медицинской технике, измерительной технике, и других устройствах со средней серийностью традиционно применяются ЦСП. До недавнего времени, ПЛИС использовались в основном для прототипирования специализированных микросхем или для создания небольших управляющих модулей. Однако такие улучшения ПЛИС как увеличение количества логических ячеек, появление встроенной памяти и встроенных умножителей, уменьшение удельной стоимости логических ячеек, снижение энергопотребления и появление новых методов проектирования устройств на базе ПЛИС предоставляют большие возможности для использования ПЛИС в области цифровой обработки сигнала.
Цель данной работы: оценить целесообразность использования ПЛИС в качестве новой элементной базы для приложений с цифровой обработкой сигнала и сравнить их с ЦСП. Сравнение будет производиться по четырем характеристикам: производительность, потребляемая мощность, стоимость и сложность разработки устройств.
Выбор ПЛИС и ЦСП. Выбранные для анализа ПЛИС и ЦСП были Разбиты на три категории: «высоко производительные микросхемы» — ПЛИС: Altera'-s Stratix 3 и Xilinx Vertex 5, ЦСП: Texas Instruments TMS320C6455 и Analog Device Tiger SHARC- «микросхемы с оптимальным соотношением производительность цена» — ПЛИС: Altera'- s Cyclone 3 и Xilinx Spartan-3A, ЦСП: Texas Instruments TMS320C6410 и Analog Device Blackfin ADSP-BF531- «микросхемы с минимальным энергопотреблением» — ПЛИС: QuickLogic Polar Pro QL1P100, ЦСП: Texas
Instruments TMS320VC5471 и Analog Device ADSP-2186M. [1−8] Выбранные фирмы производители микросхем име-
ют наибольшую распространенность на рынке микросхем, предназначенных для цифровой обработки сигнала.
Производительность. Оценка производительности интегральных микросхем предназначенных для цифровой обработки сигналов может быть выполнена по нескольким параметрам. Во-первых, это тактовая частота цифровой интегральной схемы. Этим параметром оценивали производительность ранних ЦСП, когда их архитектуры были схожими. Однако в настоящее время архитектуры ЦСП сильно отличаются друг от друга, например количеством вычислительных ядер или количеством встроенных аппаратных умножителей. Оценка по тактовой частоте современных ЦСП не показывает объективной их производительности. Поэтому для оценки производительности ЦСП часто используют параметр, показывающий количество операций умножений с накоплением (УН) выполненных ЦСП за секунду (английская аббревиатура — MACS, 1 000 000 MACS = MMACS). Операция У Н является частью многих алгоритмов цифровой обработки сигнала, например, она используется при создании фильтров. Параметр MACS стал общепринятым и дается в документации к ЦСП. В документации к ПЛИС параметр MACS не указывается, однако его можно рассчитать. Данные по расчету MACS для ПЛИС разных производителей приводятся в таблице 1. Будем считать, что для реализации элементов УН на ПЛИС используется третья часть ее логики (logic elements — LE) и для реализации одного УН требуется 250 LE. Кроме этого во многие ПЛИС уже встроены аппаратные УН, что также учитывается при расчете MACS.
Оценка по характеристикам: производительность, энергопотребление и стоимость. Сравним ПЛИС и ЦСП по характеристикам производительность, энергопотребление и стоимость. Данные для сравнения приведены в таблице 2. В таблице показана средняя стоимость микросхем, найденная в [9] во втором квартале 2007 года.
Таблица 1. Расчет MACS для ПЛИС.
ПЛИС (производитель, семейство, название) Altera Stratix 3 EP3SE2 60 Xilinx Vertex 5 XC5VSX95T Altera Cyclone 3 EP3C25 Xilinx Spartan-3A XC3SD1800A QuickLogic Polar Pro QL1P100
количество LE 254 000 58 880 39 600 37 440 640
1/3 LE 84 600 19 627 13 200 12 480 250
кол. созданных УН 338 78 52 50 1
кол. встроенных УН 768 640 6 6 84 —
общее кол. УН 1106 718 188 134 1
скорость соз. УН (МГц) 500 550 100 100 75
скорость встр. УН (МГц) 550 550 100 100 —
MMACS созданных УН 169 000 42 900 5 280 5 000 75
MMACS встроенных УН 422 400 352 000 6 600 8 400 —
общее ММАСБ 591 400 394 900 11 880 13 400 75
Средства разработки. Программирование ЦСП под определенную задачу, как правило, выполняется с использованием языка высокого уровня, например C, и с использованием библиотек ориентированных на определенную задачу, например библиотека для использования в приложениях беспроводной связи. Это значительно сокращает время проектирования устройств на базе ЦСП.
До недавнего времени разработка устройств на базе ПЛИС являлась трудной задачей требующей больших временных затрат. Однако ситуация изменилась с появлением новых методов проектирования устройств на базе ПЛИС. Одним из новых методов являться написание алгоритма работы устройства на языке высокого уровня с последующей трансляцией программы на уровень регистровых передач. Такой подход реализован в САПР Impulse C. Другим вариантом для сокращения времени проектирования является использование встраиваемых процессоров в ПЛИС. При этом алгоритм пишется на языке высокого уровня, и программа выполняется во встроенном процессоре. Фирма Altera предлагает использовать для своих ПЛИС встраиваемый процессор Nios2, в то время как Xilinx предоставляет для своих ПЛИС встраиваемый процессор AccelDSP.
Таблица 2. Сравнение ПЛИС и ЦСП
Микросхема Производительность, MMACS (МГц) Энергопотребление, Ваты Стоимость, $
ЦСП с максимальной производительностью
Texas Instruments 8 000 2,21 490
TMS320C6455 (1000)
Analog Device 4 800 1,13 350
Tiger SHARC (600)
ADSP-TS201S
ПЛИС с максимальной производительностью
Altera 591 400 24 1020
Stratix 3 EP3SE2 60 (550)
Xilinx 394 900 30 958
Vertex 5 (550)
XC5VSX95T
ЦСП с оптимальным соотношением производительность стоимость
Texas Instruments 3 200 0,99 25
TMS320C6410 (400)
Analog Device 800 0,15 12
Blackfin (400)
ADSP-BF531
ПЛИС с оптимальным соотношением производительность стоимость
Altera 11 880 0,6 39
Cyclone 3 (100)
EP3C25
Xilinx 13 400 0,8 —
Spartan-3A (100)
XC3SD1800A
ЦСП с минимальным энергопотреблением
Texas Instruments 100 0,04 20
TMS320VC5471 (100)
Analog Device 75 0,08 10
ADSP-2186M (75)
ПЛИС с минимальным энергопотреблением
QuickLogic 75 0,09 30
Polar Pro (75)
QL1P100
Сложные проекты целесообразно реализовывать, используя новый подход, основанный на выполнении моделирования и синтеза на системном уровне. Этот подход реализован в подсистеме САПР Altera DSP Builder, являющимся интерфейсом между САПР для моделирования на системном уровне MATLAB и САПР для реализации устройств на ПЛИС Altera Quartus 2. Еще одним средством, использующим моделирование и синтез устройства на системном уровне, является САПР Advanced Design System фирмы Agilent. Моделирование и синтез на системном уровне значительно сокращает время проектирования и уменьшает вероятность появления ошибок в проекте.
Выводы. Анализ ПЛИС и ЦСП показал, что семейства ПЛИС позиционируемые как «микросхемы с оптимальным соотношением производительность стоимость» превосходят по производительности ЦСП представленные как «микросхемы с максимальной производительностью», при этом ПЛИС имеет на порядок меньшую стоимость и меньшее в несколько раз энергопотребление. Благодаря новым методам проектирования устройств на базе ПЛИС время разработки устройств на их основе сравнима с временем разработки устройств на базе ЦСП. Это позволяет говорить, что использование ПЛИС для реализации сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов выглядит предпочтительнее, чем разработка на базе ЦСП. Тем не менее, это не означает, что ЦСП полностью потеряли свою актуальность. Для приложений, не требующих большой вычислительной мощности, использовании ЦСП может оказаться предпочтительнее ПЛИС, поскольку имеет более развитую периферию, чем ПЛИС, и возможно более быстрое время реализации устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Altera Corp., & quot-Stratix III Device Family Overview& quot-, 2007
2. Xilinx Corp., «Spartan-3A DSP FPGA Family: Complete Data Sheet& quot-, 2007
3. Xilinx Corp., «Virtex-5 Family Overview LX, LXT, and SXT Platforms& quot-, 2007
4. Texas Instruments Corp., «TMS320C6455 Fixed-Point Digital Signal Processor& quot-, 2007
5. Texas Instruments Corp., «TMS320C6413, TMS320C6410 Fixed-Point Digital Signal Processors& quot-, 2007
6. Analog Device Corp., «TMS320C6413, TMS320C6410 Fixed-Point Digital Signal Processors& quot-, 2007
7. Analog Device Corp., «TMS320C6455 Fixed-Point Digital Signal Processor& quot-, 2007
8. QuickLogic Corp., «QuickLogic PolarPro™ Data Sheet& quot-, 2007
9. www. efind. ru — «Поиск электронных компонентов»

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой