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DSP 與 FPGA. 學號 ： MA229101 學生 ： 方志展 魏兆煌. 指導教授 ：. Outline. 簡述 何謂 DSP ? (Digital Signal Processor ； DSP) 何謂 FPGA ? (Field-Programmable Gate Arrays ； FPGA) 探討 DSP 和 FPGA 交通監控 應用 之 DSP 和 FPGA 選擇 結論 參考文獻. 簡述.
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DSP與FPGA 學號： MA229101 學生：方志展 魏兆煌 指導教授：
Outline • 簡述 • 何謂DSP?(Digital Signal Processor ； DSP) • 何謂 FPGA?(Field-Programmable Gate Arrays；FPGA) • 探討DSP和FPGA • 交通監控應用之DSP和FPGA選擇 • 結論 • 參考文獻
簡述 • 隨著眾多產業的DSP應用需求日趨複雜，致力於提升更高性能的設計人員持續轉向可編程邏輯元件作為硬體解決方案，傳統DSP元件正遭遇以FPGA為主的各種替代性訊號處理平台的競爭。 • 在未來的應用市場，DSP和FPGA二者之間的關係是共存、融合還是取代？
電腦裡有個東西叫做中央處理器( CPU )，可以處理很多種類的事情與工作，例如從最基本的加減乘除到較麻煩的邏輯判斷等等都可以做得到，可以說是一顆多功能的晶片，而且速度快，可同時做很多事情，但相對的，CPU是相當耗費能源的。 馮‧紐曼架構（vonNeumannarchitecture）
何謂DSP? • (Digital Signal Processor；DSP) • DSP為訊號處理應用的專屬CPU • DSP是一種功能強大且非常快速的微處理器，其特性在於能夠即時處理數位訊號，以便為連續的類比訊號進行測量或濾波。 • DSP的應用特色尤其在大量影像之壓縮、解壓縮處理，與快速影像分析應用，均仍為DSP應用強項。
DSP的主要功能是用在數位訊號的處理上，所以有一些比較特殊的硬體設計，用來加強其數位訊號處理的能力。DSP的主要功能是用在數位訊號的處理上，所以有一些比較特殊的硬體設計，用來加強其數位訊號處理的能力。 哈佛架構（英語：Harvard architecture）
何謂 FPGA? • (Field-Programmable Gate Arrays；FPGA) • FPGA是一種可以重複改變組態的電路，使用者可進行編程的邏輯閘元件，特別適用於產品開發時必須不斷嘗試變更設計，以有效加速產品上市時間。 • FPGA的邏輯閘特性，可依設計者的需要加以改變，並提供各種基本功能。 • 一般而言，FPGA比DSP更為昂貴，所消耗的功率也較高，因此FPGA常與DSP或ASIC搭配使用，以提供更好的彈性、價格性能比與電源需求。註：特殊應用積體電路（英語：Application-specific integrated circuit，縮寫：ASIC）
早期FPGA多用於開發ASIC前之技術評估基本上用在ASIC大量投產前，進行電路驗證、試做的低成本開發方案，在確認完產品為可認可狀態之後，再將FPGA狀態的開發成果轉換至ASIC平台。早期FPGA多用於開發ASIC前之技術評估基本上用在ASIC大量投產前，進行電路驗證、試做的低成本開發方案，在確認完產品為可認可狀態之後，再將FPGA狀態的開發成果轉換至ASIC平台。 • 而FPGA本身具備豐富之觸發器、I/O接腳，可以針對開發需求進行調配，而同時FPGA的電路開發、設計週期相當短，因此其開發成本相對於ASIC更低，同時也是開發風險較小的應用工具。
探討DSP和FPGA • DSP與FPGA雖都可擔任執行各種數位訊號演算法的角色，但由於先天架構迥異，因此自然就形成市場區隔。 • 不過系統架構人員有時仍會遇到該選擇DSP或FPGA的兩難局面。
探討DSP和FPGA • 傳統上，FPGA和DSP分別適合不同用途，DSP主要針對軟體中實作的訊號處理演算法，提供最佳化平台，而FPGA的用途則是提供膠合邏輯(Glue Logic)。 • 對於資料傳輸速率超過Gbit/s的網路應用而言，FPGA是絕佳的選擇，而DSP則是保全監控等影像應用的最佳選擇。 • 然而，由於FPGA技術日益成熟，現今許多應用皆可採用這兩種裝置類型。 註：膠合邏輯(Glue Logic)是連接複雜邏輯電路的簡單邏輯電路的統稱
DSP和FPGA之性能與價格比較 性價比公式： MMAC：百萬次累乘操作
探討DSP和FPGA • 對於MMAC需求低於300的應用設計，從成本和效能角度來看，DSP通常是最佳的解決方案。 • 對於MMAC需求介於300～1000之間的設計，如果能在市面上找到針對該應用的特定DSP，則通常也是DSP為比較理想的選擇。 • 若是對運算效能需求超過1000MMAC的應用，則會採用FPGA和DSP併用的解決方案。
探討DSP和FPGA • 舉例來說，以每秒400個百萬取樣率(MSampling)運作的81路 FIR濾波器所需的MMAC性能便超過320億以上，遠超過單一DSP的能力範圍所及，但單一FPGA卻可輕鬆跨過這道門檻。
交通監控應用之車流分析 • 在交通監控系統應用上，主要會有道路車流視訊分析、車輛分類、電子違規監控舉報，而為了讓監控效益增加，必須在訊息擷取端進行前端之視訊分析處理，搭配高解析度之攝像設備，才能建構可同時因應10~30個監控目標之高效率視訊分析處理能力。
交通監控應用之車流分析 • 而現有解決方案雖可運用DSP設計來進行視訊分析，但畢竟DSP訊息處理為串列方式進行，與FPGA採平行結構的處理方式不同，因為串列處理會在多目標、大量訊息的處理而受到限制，而平行處理架構可以視性能要求的變化彈性擴增處理程序。 • 尤其在多工處理視訊分析方面，搭配視頻強化辨識演算法擷取重點車牌資訊，在整合分析規則、目標物動作分析應用上，FPGA獨特的硬體架構更適合此類巨量資料分析處理應用的需求。
結論(一) • DSP與FPGA是競爭還是合作？ • 目前因應無線通訊基礎設備、汽車電子、視訊監控、工業自動化與航空等嵌入式應用領域對於低成本、低功耗、小尺寸與先進功能的需求，推動FPGA、DSP走向融合。 • 特別是在一些複雜的應用中，由於必須兼顧硬體連接、處理效率、軟體相容性和開發難度等因素，FPGA結合DSP和其他處理器的單晶片解決方案，成為滿足高階客戶應用的理想解決方案。
結論(二) • FPGA透過邏輯組合實現各種功能，幾乎可進行任何類型的處理。在以高密度數據處理為中心的無線和有線通訊、雷達、航空電子和醫療成像應用中，高性能FPGA具有系統設計更簡化、處理速度更快、可實現各種硬體擴展等等優勢。 • 而高性能、低功耗則是DSP較FPGA的競爭優勢，使其得以在消費性產品、工業市場與汽車等領域發揮重大作用。
參考文獻 • 吳朝棟,應用DSP及FPGA實現無人飛行載具之自動駕駛系統,第四章 應用DSP及FPGA實現UAV之控制系統,國立成功大學航空太空工程研究所碩士論文 • EET電子工程專刊 - 聚焦FPGA&DSP • FPGA、DSP積極投入安全監控應用市場 - DigiTimes電子時報 • TEXASINSTRUMENTSTechnology Innovators
特定應用之DSP馬達控制 • 馬達控制需要讀取光學編碼器(Encoder)的迴授，這個動作需要一個邏輯電路搭配計數器來算PULSE，如果用外部中斷做MCU就會一直在中斷，馬達跑越快，系統中斷越密集會很沒效率。 • TI的28XX系列也就是針對馬達控制的DSP ，有內建數個解碼器可以讀取Encoder的值，只需要設定好register 就可以讓硬體自動抓Encoder的值，提高效率。 返回
