Altera FFT兆核函数2.0.0版简介

Altera FFT兆核函数2.0.0版简介
  一.FFT兆核函数简介
  Altera FFT兆核函数2.0.0版是一个高性能、参数化快速傅立叶变换(FFT)处理器，对Altera Stratix II、Stratix GX、Stratix以及Cyclone器件系列已经进行了设计优化。FFT兆核函数可以完成高性能复数FFT或逆FFT(IFFT)。
      1．FFI2.0.0版本
      FFT2.0.0版具有以下基本性能：
  ?  完全支持Stratix II、Stratix GX、Stratix以及Cyclone和Cyclone II系列器件。
  ?  支持Windows、Solal．is以及Linux操作系统。
  ?  高吞吐量四输出基一4FFT引擎。
  ?  并行支持多倍单输出和四输出引擎。
  ?  多路I／O数据流模式：流(Streaming)、缓冲突发(BufferedBurst)以及突发(Burst)。
  ?  Atlantic Compliant输入输出接口。
  ?  指定参数以产生VHDL和Verilog HDL测试台。
  ?  每个模块转换方向(FFT／IFFT)可指定。
  ?  易于使用的IP工具台(Toolbench)接口。
  ?  Altera支持的VHDL和Verflog HDL仿真器上的IP功能仿真模型。
  2．特点
  FFT 2.0.0版具有以下特点：
  ?  基-4算法和基-4／2混合基算法。
  ?  模块浮点结构，可在处理过程中保持最大数据动态范围。
  ?  使用嵌入式存储器。
  ?  最大系统时钟频率大于300 MHz。
  ?  为使用Stratix II、Stratix GX以及Stratix DSP模块和TriMatrix存储器结构进行了优化。
  ?  支持OpenCore Plus兆核函数评估。
  3．性能
  FFT兆核函数2.O.O版可以完成变换长度为2m(6≤m≤14)的基一2／4按频率抽选(DIF)的FFT算法。在FFT兆核函数内部，FKr使用模块浮点结构获得最大SNR和最少逻辑需求之间的平衡。
  由于FFT兆核函数的性能在很大程度上取决于FFT引擎结构和I／O数据流，因而很难描述FFI、兆核的所有性能结果。表8.1、8.2、8.3、8.4和8.5给出FFT兆核函数的大部分器件性能和资源使用结果。
  
  
  注释：
  (1)  描述数据和旋转因子精度。
  (2)  使用Stratix II器件设计，Quartus II软件报告的设计使用的自适应查找表(ALUT)数。逻辑单元(LE)数ALUT数相关。
  (3)  在允许使用M-RAM资源的情况下，前面的数字表明在FFT设计向导中取消使用M-RAM时．M4K-RAM的模块数。
  
  
  注释：
  (1)  同表8.1(1)。
  (2)  当使用缓冲突发结构时，在FFT。向导中可以指定四输出(Quad．output)FFT擎数。
  (3)  同表8.1(2)。
  (4)  同表8.1(3)。
  
  
  
  注释：
  (1)  同表8.1(1)。
  (2)  当使用缓冲突发结构时，在FFI、向导中可以指定四输出(Quad—output)FFT引擎数。用户可以并行选择1、2或4个四输出引擎。
  (3)  在缓冲突发结构中，转换时间(Transform Time)定义为从已经加载N点输入数据块到第一个转换输出样点准备输出之间的时间。转换时间不包括输出所有转换输出数据块所用的额外N一1个时
  
  注释：
  (1)  同表8.1(1)。
  (2)  当使用突发数据流结构时，在FFT向导中可以指定引擎数。可以并行选择l到2个单输出引擎或1、2或4个四输出引擎。
  (3)  同表8.1(2)。

  表8.5在stratix Ⅱ器件中使用突发(BurSt)数据流结构的性能

注释：
  (1)  同表8.1(1)。
  (2)  在突发I／O数据流结构中，可以在FFT向导中指定引擎数。可以并行选择1到2个单输出引擎，或1、2或4个四输出引擎。
  (3)  转换时间定义为从已经加载输入数据块到第一个转换结果样点(对应于输入数据块)输出之间的时帧(Time )。转换时间不包括输出所有转换输出数据块的时间。
  (4)   同表8.3(4)。
  二.FFT兆核函数的应用
  1  系统要求
  本节讲述的应用需要下列硬件和软件配置：
  ?　　装有Windows NT／2000／XP，Red Hat Linux 7.3／8.0或Red Hat企业版，Linux 3．0操作系统的PC机；或装有Solaris 7或8操作系统的Sun工作站。
  ?   Quartus II 4.1版本或更高版本软件。
  ?   Altera支持的VHDL或Verilog HDL仿真器(可选)。
  
  2  下载并安装FFT
  下载FFT兆核函数的过程与下载PCI编译器的过程相同，请参考7.2.3节下载PCI译器的过程。
      1．安装FFT兆核函数文件
  可以在Windows、Solaris或Linux操作系统中安装FFT兆核函数。
      1)  Windows
  在装有Windows操作系统的PC机上安装FFT的步骤如下：
  (1)  用鼠标左键双击F载的FF~兆核函数安装文件ffl—v．exe，如fft-v2.0.0exe其中表示FFT兆核函数的版本号。
      (2)  在出现FFT安装界面后，根据安装提示完成FFT兆核函数的安装。
      2)  Solaris
  在Solaris操作系统上安装FFT的步骤如下
      (1)  键入下面的命令解压FFT压缩包：
          gunzip fft—v一solaris.tar.gzr.(回车)
      (2)  键入下面的命令提取压缩包内容：
          tar vxf fft—v一solaris．tar(回车)
      3)  Linux
  在Linux操作系统上安装FFT的步骤如下：
      (1)  键入下面的命令解压FFT压缩包：
          gunzip fit—v一linux.tar.gzr(回车)
      (2)  键入下面的命令提取压缩包内容：
          tar vxf fft—v一linux.tar(回车)
  
  2．目录结构
  图8．1给出了安装FFT兆核函数文件后生成的目录结构,其中表示FFT兆核函数安装目录。
  
  
  3.FFT兆核函数设计应用
      本节介绍如何在Windows操作系统下使用Quartus II软件和IP工具台创建一个FFT兆核函数的用户变量。当产生一个FFT兆核函数用户变量以后，设计者即可将其加入到总的工程设计中使用。
      1．建立一个新的Quartus II工程
  建立一个新的Quartus II工程文件时，可以使用Quartus II New  Project Wizard工程向导为工程文件设置工作目录，分配1二程名称，指定项层设计输入的文件名，同时必须指定FFF兆核函数用户库。建立新工程的操作步骤如下：
  (1)  启动Quartus II软件。
  (2)  选择File→New Project Wizard命令。
  (3)  指定新建工程文件的工作目录，本节使用c：＼qdesignsfft。
  (4)  指定工程文件名，本节使用fft—example。
  (5)  点击Next按钮。
  (6)  点击User Library Pathnames按钮。
  (7)  存Library name栏中指定kfft—vklib＼，其中表示安装FFT兆核函数的目录，默认安装目录为c：WlegaCore。点击Add按钮添加用户库，点击OK按钮确定。
  (8)  连续点击两次Next按钮，在指定目标器件系列中选择Stratix系列。
  (9)  点击Next按钮，选择目标器件。
  (10)  点击Finish按钮完成建立新工程。
  2．启动IP工具台
  根据下面的操作步骤，在Quartus II软件中启动IP工具台：
  (1)  选择Tools→MegaWizard Plug—In  Manager命令运行MegaWizard Plug-In管理器，弹出MegaWizard Plug-In  Manager对话框。
  (2)  选择Create a new custom mega  variation选项l并点击Next按钮。
  (3)  在Installed Plug—Ins中点击Signal Processing文件夹前面的加号“+”展开，同样展开里面的Transforms文件夹。
  (4)  选择FFTv2.0.0。
  (5)  指定输出文件类型，如AHDL、Verilog HDL或VHDL，本节选择VHDL。
  (6)  指定输出文件目录及文件名，如图8.2所示。
      (7)  点击Next按钮，Quartus II软件启动FFT兆核函数IP T具台，如图8.3所示。
  
  
  3．确定参数
  使用FFT兆核函数IP工具台创建一个FFT兆核函数用户变量，步骤如下：
  (1)  点击FFT兆核函数IP 工具台上的Step 1：Parameterize按钮，弹出Parameterize-FFTMegaCore(g~核函数参数设置）对话框，选择Parameters标签页，如图8.4所示。

(2)  从Target Device Family列表中选择目标器件系列。
  (3)  分别从Transform Length、Data Precision和Twiddle Precision列表中选择转换长度、数据精度和旋转因子精度。
      注意：旋转因子精度必须小于或等于数据精度。
  (4)  设置好FFT兆核函数参数设置对话框的Parameters标签页以后，选择Architecture标签页，如图8.5所示。
  
  
  
  
      (5)  在I／O Data Flow中选择Buffered Burst，然后在Engine Options栏的FFT EngineArchitecture列表中选择Quad Output，在Number of Parrallel FFT  Engines列表中选择2。
      如果在I／O Data Flow中选择Streaming，FFT兆核函数生成一个具有最少Quad OutputFFT引擎数的设计来满足所需的I／O吞吐量。
  注意：一个单FFT引擎结构可以达到点数为1024的Steaming I／O数据流FFT的足够性能。
  对于Buffered Burst和Burst I／O数据流结构，可以在l、2和4个Quad Output FFT引擎之间选择并行工作；也可以在FFT  Engine Architecture列表中选择Single  Outpu FFI"引擎结构，则可以选择1或2个引擎并行工作。如果可以在器件资源和数据吞吐量之间进行折中选择，则选择多个并行引擎可以在牺牲器件资源的情况下减少FFT兆核函数的转换时间。
  (6)  设置好FFT兆核函数参数设置对话框的Architecture标签页以后，选择Implementation Options标签页，如图8.6所示。
  (7)  在Complex Multiplier  Implementatin选择栏中的Structure列表中选择期望的复数乘法器结构。
  复数乘法器可以使用4个实数乘法器和2个加法／减法器完成，或使用3个乘法器、5个加法器和一些附加的延时单元完成。在Stratix  II、Stratix GX和Stratix器件中选择4个乘法器和2个加法器可以最大化DSP模块的使用并最小化逻辑单元(LE)的使用。
  (8)  在Implement Multipliers in列表中选择在器件资源中如何实现乘法器，包括DSP  Blocks／Logic Cells、Logic Cells ONLY和DSP Blocks ONLY三个选项。
  每个实数乘法器可以仅由DSP Blocks或逻辑单元(LEs)实现，或使用两者组合共同实现。如果选择使用DSP  Blocks和LEs组合实现，FFT兆核函数将使用逻辑单元扩展DSP模块的18×18乘法器资源。
  (9)  在Memory Options栏中指定存储器选项。
  高吞吐量FFT参数设置将增加存储旋转因子的ROM需求。如果选择的目标器件系列支持M512  RAM模块，则设计者可以通过设置Twiddle ROM  Distribution滑动条，在M4KRAM和M512 RAM模块之间分配所需的ROM存储空间。设置滑动条位置到最左端，意味着完全在M4K  RAM模块中实现ROM存储；设置滑动条位置到最右端，意味着完全在M512  RAM模块中实现ROM存储；设置滑动条在中间位置，意味着使用M4K和M512 RAM模块实现ROM存储。
  (10)  完成Implementation  Options中的选项设置后点击Finish按钮完成参数设置。
  4．建立仿真
  IP功能仿真模型是由Quartus II软件(3.0以上版本)产生的周期精确(Cvcle—Accurate)的VHDL或Verilog HDL模型文件。该仿真模型允许使用工业标准的VHDL和Verilog I-IDL仿真器进行IP快速功能仿真。
  注意：这些仿真模型输出文件只能用于仿真目的，一定不能用于综合或其他用途使用这些模型进行综合，将产生非函数设计(Non—al Design)。
  使用下面的步骤为FFT兆核函数产生IP功能仿真模型：
  (1)  点击图8.3所示FFT兆核函数IP工具台上的Step 2：Set Up Simulation按钮。
  (2)  选择Set Up Simulator—FFT  MegaCore对话框中的Generate Simulation  Model选项，如图8.7所示。
  
  
  (3)  在Language列表中选择兆核函数输出文件语言类型。
  (4)  点击OK按钮完成设置。
  5．产生兆核函数
  指定参数值和IP功能仿真模型选项以后，即可产生用户FFT兆核函数。
  (1)  点击图8.3所示的FFT兆核函数IP工具台上的Step 3：Generate按钮。
  (2)  弹出IP测试台设计文件报告列表窗口，如图8.8所示，点击Exit按钮关闭该窗口。
  
  
  IP测试台产生文件的描述见表7.4所示。表8.6列出了FFT兆核函数输出文件的描述。
  表中的表示FFT兆核函数变量文件名，如fft example。
  (3)  查看完生成报告以后，点击生成报告窗口的Exit按钮关闭IP工具台并返回到Quartus 1I软件。
  4. 设计仿真
  使用IP工具台生成的II)功能仿真模型完成设计仿真。IP功能仿真模型是vo或VHO文件，由建立仿真中的设置决定。这些文件用户指定的工作目录中产生，在仿真环境中编译该IP功能仿真模型完成用户FFT 兆核函数变量的功能仿真。
  下面的步骤是在ModelSim软件中完成仿真的过程，也可以在任何Altera支持的VHDL或Verilog HDL仿真器上仿真FFT兆核函数。
  在ModelSim软件中使用MegaWizard Plug-In设计向导产生的ModelSim Tcl脚本完成仿真的过程如下：
  (1)  启动ModelSim仿真器软件。
  (2)  在仿真器中，选择File→Change Directory命令，改变工作目录为当前生成的FFT兆核函数变量工作目录。
  (3)  存仿真器命令提示符中执行Tcl命令脚本。
  ?　如果功能仿真语言选择的是VHDL，则执行vho  msim．tcl脚本文件；
  ?　如果功能仿真语言选择的是Verilog HDL，则执行一vomsim．tcl脚本文件。
  Tcl脚本建立ModelSim 工程，完成库映射，编译项层设计和相关测试台，然后在波形观察窗L]中给出仿真结果波形。
  5. 设计编译
  使用Quartus II软件对设计进行综合、布局和布线，完成用户FFT兆核函数变量的编译步骤如卜：
  (1)  在Quartus II软件中选择Assignments→Settings命令，弹出Settings对话框。
  (2)  在Category中选择Files页面，点击Add按钮。
  (3)  添加fft-v2.0.Olib目录下面的fft—pack．vhd文件到OuartusII工程中，如图8.9所示。
  
  
  注意：确保fit_pack.vhd文件位于File naine框的最顶层，如图8.9所示。否则，在File name框中选中fft_pack.vhd文件，点击图8.9右边的Up按钮将其移动到所有文件的顶层。
  (4)  点击OK按钮确定。
      (5)  在Quartus  ⅡJ软件中选择Processing→Start Compilation命令启动编译。
  6.  器件编程
  工程编译完成后，可以下载到Altera目标器件中并进行用户硬件功能测试。Altera免费的OpenCore Plus评估特性允许设计者在购买授权之前评估FFT兆核函数的功能。OpenCore Plus评估可以产生IP功能仿真模型以及具有时间限制的编程文件。
  当在Quartus II软件中选择Tools→Programmer进行器件编程时，将弹出如图8.10所示的警告对话框，提示生成的编程文件具有时间限制。
  
  
  7.  安装授权文件
  硬件测试结果满足功能和性能上的要求以后，需要购买FFT兆核函数的授权才能将设计转化为产品。
  购买了FFT兆核函数的授权以后，需要从Altera网站WWW．altera．com／licensing上申请一个授权文件并安装在用户的计算机上。
  在安装FFT兆核函数的授权文件之前，必须已经成功安装了授权的Quartus  II软件。安装FFT兆核函数授权文件的方法有下面两种。
  1．将FFT兆核函数授权文件内容粘贴到Quartus II授权文件中
  (1)  如果正在运行下列软件，应先关闭：Quartus  II软件，MAX+PLUS II软件，LeonardoSpectrum综合工具软件，Synplify软件以及ModelSim仿真器软件。
  (2)  在文本编辑器中打开FFT兆核函数授权文件，该文件中应包含FEATURE行。
  (3)  在文本编辑器中打开Quartus II软件的授权文件。
  (4)  从FFT兆核函数授权文件中拷贝FEATURE行(一般包括2行)并粘贴到Quartus II授权文件中。
  (5)  保存Quartus II授权文件，扩展名必须为.dat。
  2．在Quartus II软件中指定FFT兆核授权文件．
  (1)  首先将Altera通过E—mail发送的FFT兆核授权文件license.dat重新命名，如_license.dat
  (2)  启动Quartus II软件。
  (3)  选择Tools→License Setup，启动Options对话框的License Setup页面。
      (4)  在License  file栏，在已经存在的授权文件后面加一个分号“：”，在后面正确输入
  FFT兆核函数授权文件的路径及文件名。
  (5)  点击OK按钮确定设置。
  三.  FFT兆核函数规范
  3.1  功能描述
  长度为N的离散傅立叶变换(DFT)是计算单位圆上N点均匀分布的离散时间序列( k=2nk／N，k=0，…，N—1)的取样傅立叶变换。
  

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