Effiziente Multiplikationen in FPGAs: Eine Übersicht über FPGA DSP

Table of Contents

1. Einführung in die Multiplikation innerhalb eines FPGA
2. Komplexität der Multiplikation
3. Dedizierte Multiplikationsressourcen in FPGAs
4. Möglichkeiten zur Verwendung von DSP-Blöcken in FPGAs
5. Verwendung der Inferenzfunktion der Entwicklungstools
6. Verwendung vordefinierter Makros für die Multiplikation
7. Verwendung von DSP-Templates für eine individuelle Konfiguration
8. IP-Katalog zur Erstellung von benutzerdefinierten IPs
9. Informationen zur Multiplikator- und DSP-Instantiierung
10. Fazit

Einführung in die Multiplikation innerhalb eines FPGA

In diesem Artikel geht es um die Durchführung von Multiplikationen innerhalb eines FPGA (Field Programmable Gate Array). Die Multiplikation ist eine Operation, die in vielen Arten von Berechnungen häufig verwendet wird und doch eine recht komplexe Operation darstellt. Wir werden uns zunächst mit dieser Komplexität befassen, um ein Verständnis für die Motivation dahinter zu entwickeln.

Komplexität der Multiplikation

Um die Komplexität der Multiplikation zu veranschaulichen, betrachten wir zunächst eine 4-Bit-Multiplikation. Eine Möglichkeit, dies in Hardware zu implementieren, wird unten gezeigt.

Im Vergleich dazu erfordert eine 4-Bit-Addition nur vier einzelne Bit-Addierer, während die Multiplikation eine größere Anzahl von Addierern sowie zusätzliche Logik erfordert. Dies erhöht sowohl die Latenzzeit als auch den Flächenbedarf der Multiplikation.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Multiplikationen im Vergleich zu Additionen erheblich mehr Ressourcen erfordern. Daher besteht der Wunsch nach effizienteren Möglichkeiten zur Durchführung von Multiplikationen in FPGAs.

Dedizierte Multiplikationsressourcen in FPGAs

Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, haben FPGAs spezielle Ressourcen integriert, die ausschließlich zur Multiplikation bestimmt sind. Diese dedizierten Ressourcen wurden zunächst nur für Multiplikationen verwendet und ermöglichten häufig eine 18-Bit-mal-18-Bit-Multiplikation.

In neueren FPGAs wurden jedoch Multiplikatoren oder erweiterte Multiplikatoren integriert, die nicht nur Multiplikationen, sondern auch zusätzliche unterstützende Operationen durchführen können.

Ein Beispiel dafür sind die digitalen Signalprozessoren (DSP-Blöcke) in den Xilinx 7er Series FPGAs. Sie können nicht nur eine 25-Bit-mal-18-Bit-Multiplikation durchführen, sondern bieten auch einen Addierer/Subtrahierer vor der Multiplikation sowie logische Operationen und Vergleiche der Eingangszahlen. Darüber hinaus verfügen sie über Flip-Flops, die optional aktiviert werden können, um die Eingänge an verschiedenen Punkten zu registrieren und die Frequenz, mit der diese Multiplikationen oder verschiedene Operationen durchgeführt werden können, zu verbessern.

Zusätzlich können die Flip-Flops für eine Akkumulation verwendet werden. Das bedeutet, dass der Inhalt des letzten Registers zurück in den Addierer geführt werden kann, um eine "Multiply and Accumulate"-Operation durchzuführen, die ebenfalls häufig in verschiedenen Berechnungen vorkommt.

Durch diese speziellen Ressourcen ist es nun möglich, effiziente Multiplikationsoperationen durchzuführen. Wir werden nun verschiedene Möglichkeiten untersuchen, wie diese DSP-Blöcke oder Multiplikatoren in einem FPGA verwendet werden können.

Möglichkeiten zur Verwendung von DSP-Blöcken in FPGAs

Es gibt verschiedene Methoden, um DSP-Blöcke oder Multiplikatoren in einem FPGA zu verwenden, und wir werden sie im Folgenden näher betrachten.

Verwendung der Inferenzfunktion der Entwicklungstools

Eine Möglichkeit besteht darin, den Entwicklungstools die Aufgabe zu überlassen, zu erkennen, dass ein DSP-Block oder Multiplikator verwendet werden soll. Wenn Sie lediglich eine einfache Multiplikation durchführen möchten, können die Tools erkennen, dass diese Multiplikation in einen DSP-Block passt und wahrscheinlich effizienter ist als eine Ausführung mit regulärer Logik. Der Vorteil dieser Option besteht darin, dass sie sehr einfach ist und kein spezielles Wissen über die Programmierung erfordert. Die Nachteile sind jedoch, dass das Ergebnis möglicherweise nicht genau dem entspricht, was erwartet wird, da die Optimierung von Tool zu Tool variieren kann.

Verwendung vordefinierter Makros für die Multiplikation

Eine andere Möglichkeit besteht darin, vordefinierte Makros zu verwenden, um DSP-Blöcke oder Multiplikatoren gezielt einzusetzen. Ein Beispiel hierfür ist ein Makro, das eine Multiplikation von zwei Eingängen durchführt und einen Ausgang erzeugt. In diesem Fall haben wir einen Makro, der Ausgabe P erhält, während die Eingänge A und B mit Breiten von 24 bzw. 17 Bits spezifiziert sind. Dieses Makro vereinfacht die Nutzung des DSP-Blocks und kann je nach Bedarf erweitert werden, um die integrierten Flip-Flops zu nutzen und die Systemfrequenz zu verbessern. Vorteile dieser Makros sind, dass sie die dedizierten Multiplikationsressourcen sicher nutzen und die Komplexität für den Programmierer verringern.

Verwendung von DSP-Templates für eine individuelle Konfiguration

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, DSP-Templates zu verwenden, um eine individuelle Konfiguration für DSP-Blöcke vorzunehmen. Diese Templates bieten den vollen Zugriff auf alle Funktionen und Konfigurationsoptionen des DSP-Blocks. Allerdings erfordert diese Option ein tieferes Verständnis der Funktionsweise und der Konfigurationseinstellungen des DSP-Blocks. Sie ermöglicht jedoch eine größere Flexibilität bei der Implementierung spezifischer Optionen, die möglicherweise nicht von vordefinierten Makros erkannt oder unterstützt werden. Der Nachteil dieser Option besteht darin, dass der Programmierer das gesamte Wissen über die verfügbaren Funktionen und Optionen haben muss.

IP-Katalog zur Erstellung von benutzerdefinierten IPs

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den IP-Katalog in Lavato zu nutzen, um benutzerdefinierte IPs zu erstellen. Dieser Katalog bietet eine grafische Benutzeroberfläche, die es Ihnen ermöglicht, die gewünschte Operation zu definieren und durch den Erstellungsprozess einer maßgeschneiderten IP zu führen. Der Vorteil dieser Option ist, dass sie relativ einfach zu bedienen ist, aber weniger Verständnis darüber vermittelt, was tatsächlich implementiert wird. Es kann jedoch sein, dass sie nicht so effizient ist wie einige der zuvor genannten Optionen.

Informationen zur Multiplikator- und DSP-Instantiierung

Wenn Sie weitere Informationen zur Multiplikator- und DSP-Instantiierung benötigen, können Sie in der Dokumentation der Entwicklungstools nachsehen. Unter den Sprachvorlagen finden Sie Informationen zu den verschiedenen Methoden, die wir diskutiert haben. Sie können Vorlagen für Makros, DSP-Templates und IP-Kataloge finden. Stöbern Sie einfach in den entsprechenden Abschnitten, um detaillierte Informationen und Beispiele zu erhalten.

Fazit

Die Durchführung von Multiplikationen innerhalb eines FPGA kann eine komplexe Aufgabe sein. Durch die Integration dedizierter Multiplikationsressourcen wie DSP-Blöcke wird es jedoch möglich, Multiplikationsoperationen effizient durchzuführen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Ressourcen zu nutzen, von der Nutzung der Inferenzfunktion der Entwicklungstools bis hin zur individuellen Konfiguration über DSP-Templates oder der Erstellung von benutzerdefinierten IPs mit dem IP-Katalog. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, und es liegt an Ihnen, die beste Herangehensweise an Ihre spezifischen Anforderungen zu wählen.