基于高速PCI-FPGA平台的应用研究

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1、中国科学技术大学硕士研究生毕业论文摘要信号处理的快速算法及其实现一直是信号处理技术的重要研究方向之一。DSP芯片一直是算法实现的主要处理器，然而随着FPGA技术的迅速发展，以及DSP芯片面对高速实时运算要求的力不从心，促使了算法开始从软实现转化为硬实现以及在信号处理领域FPGA取代DSP芯片趋势的发展。为了实现对基于MD5的R加IUS协议的破解，我们设计实现了一款基于PCI+FPGA的高速平台和相应的PCI接口、DMA传输模式。通过对RADIUS协议实时破解的成功，充分验证了该PCI+FPGA平台在硬件实现数据处理算法方面的优越性。而在信号处理领域中，由于阵列信号处理的算

2、法有着相比其他领域算法的并行性方面的优点，使得该领域的算法硬件实现的可行性更加突出。基于此，我们通过设计实现了实值MuSIC算法，进一步验证了该平台适合高速实现信号处理算法。本文主要内容为：1．设计实现了具有兼容64／32位的PCI接口的高性能处理平台。‘2．将基于MD5的RADIUS协议的穷举解密算法IP．Core化，在平台上测试表明IP．Core的性能达到了实时破解的要求。3．结合了高速平台的硬件条件，实现了基于并行COImIC—Jacobi算法的EVD模块、协方差矩阵计算模块和谱峰搜索模块设计和联合仿真，并比较了该算法现有的软硬实现的性能，验证了本文提出的并行架构的

3、性能比现有设计有一定的改善。关键词：FPGA，实时高速，RADIUS，MUSIC，EVD，并行处理×蓘眬襽聙×ꎀ×褉線眬線簚:×襽衻信号处理的快速算法和算法在高速处理器上的实现一直是信号处理的一个重要研究方向。自从20世纪80年代早期出现DSP(DigtalSinalProcesr)芯片以来(下文中DSP芯片简称DSP)，由于DSP所具有的实时处理能高数据吞吐能力和高强度的算术处理能力，使得DSP在许多领域逐步取代了处理器。在高速控制、语音和图像处理、通讯、雷达、电子对抗等越来越多里，DSP的使用已经非常而从20世纪80年代中期开始，PLD(Progr锄mbleLgicD

4、evice)也在迅速的发展，其目标一直瞄准速度、成本和密度三个指标，即构建容量，速度更快和价格更低的FPGA。与ASIC相比较，FPGA作为可编程逻辑，其提供的解决方案可以更加进一步的降低成本，降低产品的开发周期，并品的灵活性增加。另一方面，由于在性能和灵活性方面的完美组合，FPGA字信号处理领域的应用越来越普遍。推动数字信号处理在FPGA中应用的最因素之一就是传统处理器性能增长放缓，而FPGA一直遵循摩尔定律，目前品已经进入65mn工艺。FPGA在数字信号处理领域中性能领先的关键是其的并行机制，即利用并行架构实现DSP功能。因此，对于高度并行执行DS务来说，FPGA性能

5、远超过传统DSP处理器的串行执当然目前在面对高端信号处理应用，DSP依然是首要选择。这类解案通常需要多个DSP以满足所需的处理能力，但在实现高性能系统的同时，系统开销如功耗、数据内存资源等都会相对增加。而随着工艺技术的提升，用GA内嵌DSP核心、删核心来取代部分高端信号处理应用已经成为现实前在中频到基频下变频信道、高分辨率H-264和MPEG．4编解码算法等应用，高性能FPGA已经完全可以取代在传统的DSP应用领域：实时视频处理，这项应用对系统性能的要高，几乎所有只具最简单功能的通用DSP都不具备这项功能。基于DSP的方案通常需要在单板上嵌入许多DSP，以得到必需的处理能

6、力，这无疑将增序资源开销和数据存储器资源开销。而可编程逻辑器件允许设计人员利用并理技术实现视频信号处理算法，并且只需单个器件就能实现期望例如Ⅵsicom公司发现，在图像和视频处理及其重要的中值滤波器中，DSP处理器需要67个时钟周期执行算法，而FPGA只需工作在25MHz下S!x中国科学技术大学硕士研究生毕业论文算法需要的各个处理单元，并通过状态机(StateMachine)对算法进行控制，从而可以按照算法需要，将各个处理单元按照一定的结构映射到FPGA上。因为FPGA内部的结构是为算法专门设计的，因此FPGA与PDSP相比，最大优势是FPGA将不会受到运算单元数量(如乘

7、法累加器数量)的影响，可以用最恰当、最高效的硬件结构实现算法，提供更多的带宽，运算速度相对于PDSP而言有较大提高。尽管从上面的比较中可以看出信号处理算法在FPGA中实现的优点，但FPGA实现阵列测向算法也有很多的不足和难点：FPGA实现浮点运算需要占用很多资源，所以目前FPGA主要还是基于定点运算进行设计，在一些对精确度要求很高的场合就无法使用FPGA；FPGA对实现复杂的不规则算法比较困难；此外，相比PDSP实现非线性运算也比较困难。我们在FPGA中实现阵列测向算法的设计时，充分考虑到这些不足和困难。不仅阵列信号处理算法适