利用面向对象技术进行可配置的FFT IP设计与实现

利用面向对象技术进行可配置的FFT IP设计与实现

明导(上海)电子科技有限公司 游余新

摘要：为了缩短产品上市时间并降低设计成本，IP 复用已经成为IC设计的重要手段。以往利用RTL 代码编写的IP，往往是针对特定应用实现的，可移植性和可配置性不高。而将设计的抽象层次从RTL级提高到C++后，可利用软件复用中常用面向对象技术，进行模板化算法设计，从而可真正实现IP Reuse。本文以FFT IP的设计为例，利用面向对象的编程技术，进行了全面可配置的C++ FFT IP 代码的设计，并借助Mentor Graphics的高层次综合工具（Catapult Synthesis），无误地将C++ IP综合成针对ASIC/FPGA特性的高质量RTL代码，且速度比手工RTL编码的快10-20倍，并以图表方式给出不同约束下的面积、延迟和吞吐率(10243、12291、14339、4109个 时钟周期)的性能，同时提供了集成的验证和综合流程，极大地提高了设计效率。

关键词：高层次综合 可配置 FFT IP复用 面向对象

Abstract: In order to meet the requirement of Time to market and reduce the design cost, IP reuse has been an important method for IC design. Original IP written by RTL code is targeted for the special application, which can’t be full reconfigurable. In order to make IP reuse possible, Object Oriented Programming (OOP) Technique can be used for the template algorithm design, which has been used

commonly for software reuse, through shift the abstract design level from RTL to C/C++ level. In this paper,

A full configurable FFT IP has been designed using OOP technique, and synthesized to generate high-quality RTL 10-20x faster than hand-coded design for ASIC or FPGA by Catapult Synthesis of Mentor Graphics. Catapult synthesis can rapidly explore multiple architectures to quickly find the best

implementation for performance, area and power in FFT implementation, and provides the area、delay and throughput (10243,12291,14339,4109 clock cycles) under the different constraints by table and graphics, and also provides the integrated verification and synthesis flow, which improves the design efficient greatly. Keywords: High Level Synthesis Configurable FFT IP Reuse OOP

1.引言

激烈的市场竞争和复杂设计的设计风险使得电子产品上市时间的压力越来越大，采用IP已经成为复杂SoC设计时首选。采用传统的Verilog/VHDL语言进行IP的设计时，不得不根据实际的应用费力地重新修改，进而影响项目的进度。通过提高设计的抽象层次，采用C++语言进行IP设计，从而可以充分利用面向对象设计技术来填补IP设计和复用之间的鸿沟。面向对象编程可以方便地对目前复杂的DSP算法进行建模，利用类(Class)、模板(Template)，将数据和函数进行封装，而继承的特性，又进一步方便了代码的复用。本文以数字信号处理中常用的快速傅里叶变换( FFT)为例，采用类和模板的描述其基本的算法单元，并配置出不同的实现方案，如直接的离散傅立叶变换(DFT)运算、基二、基四算法的实现，借助Mentor公司的Catapult® Synthesis 高层次综合工具，可以根据不同的应用，施加不同的硬件约束条件，快速地找到一种优化的结构并综合成RTL代码，并采用专利的接口综合工艺来控制设计接口上的时序和通信协议。这使得设计者可以针对各种微架构和接口设计执行详细的what-if分析，改善代码的可重用性，使得设计者能将时间用于算法的创新上，而非重复性的手工翻译算法的劳动上。

2. FFT IP的面向对象设计

2.1 FFT的概述

FFT算法在现代通信、雷达、图像处理等领域有着极其广泛应用。而不同的应用领域，可能对FFT IP有不同的特性需求，具体体现在对IP的面积、延时、吞吐率等有不同的要求。一般来说，设计人员会根据具体的应用，综合考虑算法的处理速度、算法的运算量以及硬件实现算法的资源占用等因素确定选择采用某种算法。本文以时域抽取算法为例进行了2的任意整数次