如何在FPGA中利用LUT实现DSP功能

简介：
本文将详细介绍如何在FPGA架构下运用查找表（LUT）技术来构建和优化数字信号处理（DSP）应用的功能与性能。 作为赛灵思的现场工程师，在工作中我会经常遇到这样的问题：我们能否提供一个可以完全满足客户独特设计需求的DSP内核？有时候，这个内核会过大、过小或者不够快。在某些情况下，我们会根据客户需求开发出一款精确匹配的产品，并迅速以COREGeneratorTM的形式推出市场。然而，即便在这种情形下，有些客户仍然需要特定且即时可用的DSP功能。 对于这种紧急需求，我通常建议他们利用我们设备中的插值查找表（LUT）来定制所需的DSP功能。查找表实际上是一个存储组件，它可以根据给定输入状态组合“查询”相应的输出结果，确保每个输入都有明确对应的输出。采用LUT实现DSP功能有以下几点显著优势： 1. 您可以通过诸如MATLAB或Simulink等高级编程语言轻松修改LUT的内容。 2. 它可以设计用于执行那些使用离散逻辑运算难以处理的复杂数学函数，例如y=log（x）、y=exp（x）、y=1/x、y=sin（x）等等。 3. LUT能够方便地完成在可配置逻辑块（CLB），嵌入式乘法单元或DSP48可编程MAC单元中可能需要过多FPGA资源的复杂计算任务。 然而，使用LUT实现DSP功能也存在一些缺点。当利用LUT进行此类操作时，您将不得不依赖于块RAM元件。例如，在执行函数y=sqrt（x）的情况下（假设输入为16位宽度而输出为18位），每个变量大概需要约64个18KB的BRAM单元来存储数据。如果目标是实现小型化的Spartan器件，或者您有过多的操作无法在有限数量的BRAM单元中完成，则可能需要放弃这种依赖大量BRAM的方法，因为从系统架构角度来看这会带来较高的成本负担。