Xilinx大神都懂的数字运算单元—DSP48E1

FPGA中DSP资源是宝贵的且有限，我们在计算大位宽的指数、复数乘法、累加、累乘等运算时都会用到DSP资源，如果我们不了解底层的DSP特性，很多设计可能都无法进行。逻辑综合往往是不可控的，为了能够充分利用DSP资源，我们需要对DSP48E1有所了解。

1.DSP48E1介绍

       DSP48E1是7系列的最小计算单元，DSP资源，支持许多独立的功能，其基本功能如下所示

DSP48E1简易模型

包括：

              •  带有D寄存器的25位预加法器

              •  25*18二进制乘法

              •  48位累加

              •  三输入加法

       其他的一些功能还包括桶形移位、宽总线多路复用、幅度比较器、按位逻辑功能和宽计数器等。

       每个DSP48E1都有一个双输入乘法器，接着是3个数据通路的多路复用器和一个三输入的(加法器/减法器/累加器)

DSP48E1内部详细资源

一种典型的使用是A，B输入相乘后与C输入相加或减；当不使用第一级的乘法器的时候，两组48位输入可以实现按位操作的逻辑功能。

       A和B的数据输入可以选择直接输入或者寄存一级、两级输入，如下所示

DSP48E1输入分层视图

其他的数据和控制输入可是选择寄存一级输入，这样的输入选择有助于构建多种类型，高流水化的DSP应用。

2. DSP48E1使用

       (1)DSP原语使用的每个端口及位宽如下所示：

       ①表示的数据通道，运算数据的输入。

       ②寄存器配置通道，我们可以通过配置这些寄存器，实现不同的功能，比     如加法、减法、乘累加，累减等。

       ③数据输入寄存器使能通道，在数据输入的时候可以选择寄存一级或者两     级(两级仅限A和B)。

       ④配置寄存器使能通道。

       ⑤复位信号，寄存器的复位端口。

       ⑥、⑦和⑧表示的是级联通道，其中CIN表示级联的输入，COUT表示级联   的输出。

       ⑨模式检测输出，模式检测用于检测P总线是否与指定的模式或者模式的     补码完全匹配，如果加法器的输出与设置的模式匹配，则PATTERNDETECT     (PD)将变高，如果与设置的补码匹配，则PATTERNBDETECT(PBD)将变高，其    使用逻辑如下

模式检测逻辑

OVERFLOW和UNDERFLOW是与模式检测一起使用时的溢出指示标志。

(2)DSP的使用主要通过三个寄存器来进行控制和改变相应的运算。  

              •INMODE 控制预加器，A，B，D寄存器的输入；(5bit)

              •OPMODE 控制X，Y，Z选择器的输入；(7bit)

              •ALUMODE逻辑控制选择单元；(4bit)

       我们通过构建一个乘累加器来介绍DSP的使用以及寄存器的配置。

       实现的乘累加完成如下功能，即SUM = SUM + A * B ;SUM也就是DSP中的P输出。

       明确了运算表达式，然后我们需要对三个寄存器进行设置：

       ①乘法器的两个输入分别为A和B，我们选择A端口和B的数据相乘的时候，只使用A的[24:0]位参与运算，具体介绍可以见Xinlinx文档ug479(P30)，这里我们把数据通过第二个寄存器输出到乘法器，INMODE设置为5’b00000。

       ②多路复用器需要指明参与ALU运算模块的数据，根据运算功能，我们选择乘法器的输出和P输出作为信号的输入，OPMODE设置为7’b010_0001。

       ③在最后的运算中我们选择加法运算。ALUMODE设置为4’b0000。即P=Z+X+Y+CIN其中Z=P，X=M，Y=0，CIN=0，M=A*B。所以P=P+A*B。

(3)相应的配置设置好之后，例化DSP48E1的原语，原语的调用可以见Xinlinx文档ug768(P120)，然后建立Vivado工程，测试如下

通过仿真得到了正确的乘累加结果

需要注意的是：在计算乘法时，M寄存器必须是打开的，多路复用器Z的输入通过P寄存器，因此输出至少滞后2个时钟周期，这里通过A2和B2寄存器输入，故延迟了4个时钟周期输出结果。

3. DSP48E1注意事项

       • 使用有符号数进行数据的处理。

       • 尽量使用流水进行数字信号的处理。

       •当数字的处理位宽较小时，尽量使用逻辑进行数据处理

       •级联使用DSP的时候请尽量使用专用布线资源。

       •合理的去复用DSP资源。

       •在DSP不使用的时候，通过USE_MULT将乘法器关闭以降低功耗。

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