在數位訊號處理(DSP)領域，需要處理的數據量很大，並且實時性要求很高。傳統的DSP設計方法主要有採用固定功能的DSP器件和採用DSP處理器兩種，由於它們靈活性差以及軟體算法在執行時的順序性，限制了它們在高速和實時系統中的應用。隨著深亞微米半導體製造工藝的不斷創新，百萬門可編程器件的不斷推出，為DSP提供了第3種有效的解決方案，即利用FPGA實現DSP運算硬體化。它能夠在集成度、速度和系統功能方面滿足DSP應用的需要。
然而在應用FPGA進行系統設計綜合過程中，選擇晶片的運行速度優化和資源利用優化常常是相互矛盾的，對速度指標要求高的設計優化常常要佔用較大的晶片資源，而減小晶片面積的設計又需要以降低系統速度為代價。從FPGA發展趨勢和DSP運算要求看，系統速度指標的意義比面積指標更趨重要，需要我們進一步深入研究提高晶片的最高工作速度的設計策略。本文討論在基於FPGA的DSP系統設計中採用流水線技術，充分利用硬體內部的並行性，在FPGA有限資源晶片面積上提高單位時間裡的數據處理能力即數據吞吐率(throughput)，提高系統的工作速度的具體做法。
0 流水線技術基本原理和FPGA結構特徵
流水線是一種在時間上串行，在空間上並行的技術，其基本原理如圖1所示。將整個電路劃分為若干個流水線級，流水線每級之間設置寄存器鎖存上一級輸出的數據；每一級只完成數據處理的一部分；一個時鐘周期完成一級數據處理，然後在下一個時鐘到來時將處理後的數據傳遞給下一級；第一組數據進入流水線後，經過一個時鐘周期傳到第二級，同時第二組數據進入第一級，數據隊列依次前進。每組數據都要經過所有的流水級後才能得到最後的計算結果，但是對整個流水線而言，每個時鐘都能計算出一組結果，所以平均計算一組數據只需要一個時鐘周期的時間，這樣就大大提高了數據處理速度，電路在單位時間內處理的數據量就愈大，即電路的吞吐量就越大，保證整個系統以較高的頻率工作。
FPGA的結構特點很適合採用流水線設計，以Altera低成本系列Cyclone II為例，不僅有最多達68416個邏輯單元(LE)，而且提供嵌入式存儲資源支持各種存儲應用和低成本DSP應用(如乘法器模塊、PLL)。每個LE均含有一個四輸入查找表LUT、一個可編程觸發器等。一般設計中，這個觸發器或者沒有用到，或者用來存儲布線資源。設計中可將一個算術操作分解成一些小規模的基本操作配置到LUT中，將進位和中間值存儲在寄存器中，在下一個時鐘內繼續運算。因此，在FPGA中採用流水線技術，只需要極少或者根本不需要額外的資源成本。特別是在需要進行大批量重複運算的場合，如數位訊號處理中的卷積操作、FFT或FIR濾波器設計，採用流水線技術，可以大大提高系統運行速度。
1 FPGA中基本DSP運算的流水線設計與性能分析
加法器和乘法器是DSP中最基本的運算部件。在Quartus軟體平臺上設計加法器或乘法器可以採用原理圖法和VHDL語言兩種基本方法。考慮到參數可設置宏模塊(Library of Parameterrized Modtlles-LPM)經過嚴格測試和優化，可以發揮最佳性能，所以，我們採用原理圖設計方式，通過MegaWizard P1ug-In Manager工具引入1pm add sub和1pm mult兩種可設置流水線的LPM模塊，實現了不同位寬、不同流水線級數的加法器和乘法器設計，並選用CycloneII系列EP2C5Q208C7器件進行了綜合、布局布線、時序分析和仿真設計，以比較其性能的變化特徵。
1．1 不同流水線級數的運算器性能比較
對16位加法器和8位乘法器分別選用不同的流水線級數進行設計，比較結果如表1、2所示。
由比較結果可見：
(1)採用流水線技術普遍比不用流水線工作速度顯著提高，體現流水線技術在高速DSP運算上的優勢。
(2)採用流水線技術在資源耗用(邏輯單元與寄存器個數、存儲器位數)上有所增加。
(3)採用不同的流水線級數在速度指標和資源耗用率上有所不同，流水線級數增加，速度指標不一定增加，但資源耗用大大增加，所以應注意速度和資源耗用指標的權衡。如對16位加法器，如不用M4K(專用存儲器資源)，以採用2級流水線最佳；如選用M4K，則取6級流水最佳。8位乘法器則以2級或6級流水最佳。對於其他DSP運算，在設計時必須通過反覆比較、設計，選擇符合系統性能要求的流水線級數。
1．2 不同位寬運算器相同流水線級數的性能比較
對採用6級流水的加法器和乘法器的數據位寬加以改變，通過綜合仿真，分析其性能指標的變化，見表3。
由比較結果可見：採用同樣的流水線級數時，工作速度基本相同，但耗用資源隨輸入位數的增加而急劇增加，加法器主要是邏輯單元LE個數的增加；乘法器則是存儲器位和嵌入式乘法器個數的增加。因此，對於不同的運算器電路，應根據需要選用不同型號的FPGA器件以滿足對不同資源的需要。如，僅作加法運算時，可以選用邏輯單元豐富的FPGA器件女HACEX系列、FLEX等系列；乘加運算則需要選擇內嵌乘法器模塊和存儲器模塊的Cyclone、CycloneII等系列。