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學號： MA229101學生：方志展 魏兆煌

DSP 與 FPGA

指導教授：

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簡述何謂 DSP ?

(Digital Signal Processor ； DSP)何謂 FPGA ?

(Field-Programmable Gate Arrays ； FPGA)探討 DSP 和 FPGA交通監控應用之 DSP 和 FPGA 選擇結論參考文獻

Outline

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隨著眾多產業的 DSP 應用需求日趨複雜，致力於提升更高性能的設計人員持續轉向可編程邏輯元件作為硬體解決方案，傳統 DSP 元件正遭遇以 FPGA 為主的各種替代性訊號處理平台的競爭。在未來的應用市場， DSP 和 FPGA 二者之間的關係是共存、融合還是取代？

簡述

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電腦裡有個東西叫做 中央處理器 ( CPU ) ，可以處理很多種類的事情與工作，例如從最基本的加減乘除到較麻煩的邏輯判斷等等都可以做得到，可以說是一顆多功能的晶片，而且速度快，可同時做很多事情，但相對的， CPU 是相當耗費能源的。

馮‧紐曼架構（ vonNeumann architecture ）

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(Digital Signal Processor ； DSP)

DSP 為訊號處理應用的專屬 CPU

DSP 是一種功能強大且非常快速的微處理器，其特性在於能夠即時處理數位訊號，以便為連續的類比訊號進行測量或濾波。DSP 的應用特色尤其在大量影像之壓縮、解壓縮處理，與快速影像分析應用，均仍為 DSP 應用強項。

何謂 DSP ?

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DSP 的主要功能是用在數位訊號的處理上，所以有一些比較特殊的硬體設計，用來加強其數位訊號處理的能力。

哈佛架構（英語： Harvard architecture ）

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(Field-Programmable Gate Arrays；FPGA)

FPGA 是一種可以重複改變組態的電路，使用者可進行編程的邏輯閘元件，特別適用於產品開發時必須不斷嘗試變更設計，以有效加速產品上市時間。FPGA 的邏輯閘特性，可依設計者的需要加以改變，並提供各種基本功能。一般而言， FPGA 比 DSP 更為昂貴，所消耗的功率也較高，因此 FPGA 常與 DSP 或 ASIC 搭配使用，以提供更好的彈性、價格性能比與電源需求。註：特殊應用積體電路（英語： Application-specific integrated circuit ，縮寫： ASIC ）

何謂 FPGA ?

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早期 FPGA多用於開發 ASIC前之技術評估基本上用在 ASIC 大量投產前，進行電路驗證、試做的低成本開發方案，在確認完產品為可認可狀態之後，再將 FPGA 狀態的開發成果轉換至 ASIC 平台。而 FPGA 本身具備豐富之觸發器、 I/O接腳，可以針對開發需求進行調配，而同時 FPGA 的電路開發、設計週期相當短，因此其開發成本相對於 ASIC 更低，同時也是開發風險較小的應用工具。

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DSP 與 FPGA雖都可擔任執行各種數位訊號演算法的角色，但由於先天架構迥異，因此自然就形成市場區隔。不過系統架構人員有時仍會遇到該選擇 DSP 或

FPGA 的兩難局面。

探討 DSP 和 FPGA

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傳統上， FPGA 和 DSP分別適合不同用途， DSP 主要針對軟體中實作的訊號處理演算法，提供最佳化平台，而 FPGA 的用途則是提供膠合邏輯 (Glue Logic) 。對於資料傳輸速率超過Gbit/s 的網路應用而言， FPGA 是絕佳的選擇，而 DSP則是保全監控等影像應用的最佳選擇。然而，由於 FPGA技術日益成熟，現今許多應用皆可採用這兩種裝置類型。 註：膠合邏輯 (Glue Logic) 是連接複雜邏輯電路的簡單邏輯電路的統稱

探討 DSP 和 FPGA

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DSP 和 FPGA 之性能與價格比較

MMAC ：百萬次累乘操作性價比公式：

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對於 MMAC 需求低於 300 的應用設計，從成本和效能角度來看， DSP 通常是最佳的解決方案。對於 MMAC 需求介於 300～ 1000 之間的設計，如果能在市面上找到針對該應用的特定DSP，則通常也

是 DSP 為比較理想的選擇。若是對運算效能需求超過 1000MMAC 的應用，則會採用 FPGA 和 DSP併用的解決方案。

探討 DSP 和 FPGA

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舉例來說，以每秒 400 個百萬取樣率 (MSampling)運作的 81 路 FIR 濾波器所需的 MMAC 性能便超過 320億以上，遠超過單一 DSP 的能力範圍所及，但單一 FPGA卻可輕鬆跨過這道門檻。

探討 DSP 和 FPGA

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在交通監控系統應用上，主要會有道路車流視訊分析、車輛分類、電子違規監控舉報，而為了讓監控效益增加，必須在訊息擷取端進行前端之視訊分析處理，搭配高解析度之攝像設備，才能建構可同時因應10~30 個監控目標之高效率視訊分析處理能力。

交通監控應用之車流分析

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而現有解決方案雖可運用 DSP 設計來進行視訊分析，但畢竟 DSP 訊息處理為串列方式進行，與 FPGA採平行結構的處理方式不同，因為串列處理會在多目標、大量訊息的處理而受到限制，而平行處理架構可以視性能要求的變化彈性擴增處理程序。尤其在多工處理視訊分析方面，搭配視頻強化辨識演算法擷取重點車牌資訊，在整合分析規則、目標物動作分析應用上， FPGA獨特的硬體架構更適合此類巨量資料分析處理應用的需求。

交通監控應用之車流分析

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DSP與 FPGA是競爭還是合作？目前因應無線通訊基礎設備、汽車電子、視訊監控、工業自動化與航空等嵌入式應用領域對於低成本、低功耗、小尺寸與先進功能的需求，推動 FPGA 、 DSP走向融合。特別是在一些複雜的應用中，由於必須兼顧硬體連接、處理效率、軟體相容性和開發難度等因素， FPGA 結合

DSP 和其他處理器的單晶片解決方案，成為滿足高階客戶應用的理想解決方案。

結論 ( 一 )

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FPGA透過邏輯組合實現各種功能，幾乎可進行任何類型的處理。在以高密度數據處理為中心的無線和有線通訊、雷達、航空電子和醫療成像應用中，高性能FPGA 具有系統設計更簡化、處理速度更快、可實現各種硬體擴展等等優勢。

而高性能、低功耗則是 DSP 較 FPGA 的競爭優勢，使其得以在消費性產品、工業市場與汽車等領域發揮重大作用。

結論 ( 二 )

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Thanks you for listening

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吳朝棟 , 應用 DSP及 FPGA實現無人飛行載具之自動駕駛系統 ,第四章 應用 DSP及 FPGA實現UAV之控制系統 ,國立成功大學航空太空工程研究所碩士論文EET 電子工程專刊 - 聚焦 FPGA&DSPFPGA 、 DSP積極投入安全監控應用市場 -

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參考文獻

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馬達控制需要讀取光學編碼器 (Encoder) 的迴授，這個動作需要一個邏輯電路搭配計數器來算 PULSE ，如果用外部中斷做 MCU就會一直在中斷，馬達跑越快，系統中斷越密集會很沒效率。TI 的 28XX系列也就是針對馬達控制的 DSP ，有內建數個解碼器可以讀取 Encoder 的值，只需要設定好

register 就可以讓硬體自動抓 Encoder 的值，提高效率。返回

特定應用之 DSP馬達控制