FPGA高性能数字信号处理能力的来源

数字信号处理意味着大量的运算，而此类运算分解到最基础的部分就是乘加结构。DSP处理器之所以有比通用处理器更强大的数字信号处理能力也在于其有专门的乘加结构，所以在执行乘加运算时对指令要求少，执行效率高。目前，大多数DSP处理器架构中只有一个乘加结构的内核，在实现具体算法时需要串行反复使用该内核。要提高运算的能力，主要通过提高处理器主频的方法来达成。但半导体工艺决定了主频不能无限制地提高，而且主频的提高也会增加器件的功耗。另一方面，FPGA的结构本质上非常适合于并行运算，同时FGPA中拥有多达几百个乘加单元。这样通过并行运算的方式FGPA就可以达到更高性能的数字信号处理能力，即使使用较低的时钟频率，以图为例。

图 串行与并行运算比较

计划实现一个256阶的数字滤波器，用主频1 GHz的DSP处理器需要256个时钟周期。其运算性能是4 Msps；而使用FPGA，选用全并行的实现方式，则可在一个时钟周期完成该运算。即使使用较慢的主频500 MHz，其运算性能也达到了500 Msps，是DSP处理器的125倍。同时FPGA的结构可变，在图，如果设计人员不需要如此高性能，则可以通过减少乘加单元的使用来达到性能和使用资源的平衡。

总的来说，在数字信号处理应用中使用FPGA可以带来以下好处。

(1)极高性能的数字信号处理能力。

(2)作为协处理器可以分担DSP处理器的大规模运算任务。

(3)开发人员可以实现差异性的解决方案。

(4)减少系统成本：FPGA不仅用于信号处理，还可以实现接口、逻辑及控制功能。

(5)提供很低的功耗／单位运算能力。