CN101290613A - Fft处理器的数据存储系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FFT处理器的数据存储系统和方法，包括控制器，存储器，蝶形运算单元，旋转因子表格；所述存储器用于存储数据，所述旋转因子表格按照顺序存储每个蝶形运算所需要的旋转因子，所述蝶形运算单元用于蝶形运算；所述控制器包括蝶形运算计数器，级数计数器，索引号生成器，地址映射器，延迟单元，旋转因子序号生成器。数据存储方法是，输入数据按照输入顺序记为d_index，index＝0，1，…，N－1，将index用二进制数表示，需要m比特，其中m＝log₂ N，即记为index[m－1:0]，将所述输入数据存储在存储器中。本发明使用单端口存储器实现无冲突读写访问，蝶形运算单元的利用率接近100％，有效提高了硬件资源的利用效率。

Description

FFT处理器的数据存储系统和方法

技术领域

本发明涉及数字移动通讯领域，特别是涉及一种FFT处理器的数据存储系统。本发明还涉及利用FFT处理器进行数据存储的方法。

背景技术

在数字信号处理中，离散傅里叶变换(Di screte Fourier TransformDFT)是描述离散信号时域和频域关系的数学工具。快速傅里叶变换(FastFourier Transform FFT)是为了减少DFT计算复杂度的一种快速算法，在各种数字信号处理系统中扮演着重要的角色。计算一个N点基r的FFT，即以r为基数的FFT，需要有(N/r)log_rN次蝶形运算和2Nlog_rN次数据访问操作。

FFT处理器通常有两种结构，一种是级联结构(如图1所示)，另一种是单级结构(如图2所示)。单级结构的基2FFT处理器，控制相对简单，存储单元结构简单，耗费硬件资源最少，便于低功耗系统设计。在单级结构FFT处理器中，为了充分提高FFT处理器的效率，通常采用流水线技术，以达到平均每个时钟周期完成一个蝶形运算的处理能力。FFT处理器必须要有相应的并行数据访问方法，以同时读写一个蝶式运算所需要的多个操作数。

在单级结构的基2FFT处理器中，由于每个蝶形运算需要两次数据读访问操作和两次数据写访问操作，增加数据读写访问并行度成为了最主要的问题。通常使用的方法是按照一定的排列方式将数据分别存储在两个存储体，并采用双端口存储器，以实现基2FFT处理器无冲突读写访问。这种方法由于采用了双端口存储器，在集成电路实现中，存储器面积大约为单端口存储器体积的两倍，大量的增加了硬件资源的面积。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种FFT处理器的数据存储系统，它可以使用单端口存储器实现无冲突读写访问，每个时钟周期完成一次蝶形运算，提高硬件资源的利用率；为此，本发明还要提供一种FFT处理器的数据存储方法。

为解决上述技术问题，本发明的FFT处理器的数据存储系统包括控制器，存储器，蝶形运算单元，旋转因子表格；所述存储器用于存储数据，该数据包括输入数据，中间临时数据以及结果数据，所述旋转因子表格按照顺序存储每个蝶形运算所需要的旋转因子，所述蝶形运算单元用于蝶形运算；所述控制器包括蝶形运算计数器，级数计数器，索引号生成器，地址映射器，延迟单元，旋转因子序号生成器；

其中，蝶形运算计数器表示每级中的蝶形运算的序号；级数计数器记录蝶形运算级数；索引号生成器生成一次蝶形运算所需要的两个数据的索引号；地址映射器将索引号生成器所生成的两个索引号，映射为存储体编号与存储体内地址；延迟单元暂存地址映射器计算得到的两个数据的地址；旋转因子序号生成器生成每个时钟周期蝶形运算所需旋转因子在旋转因子表格中的序号。

所述数据存储器分成四个存储体，每个存储体的数据容量大小均为N/4个。

所述四个存储体分别标号为0、1、2、3，标号用二进制记为bank[1:0]；每个存储体的地址用二进制m-2比特，记为address[m-3:0]。

本发明的FFT处理器的数据存储方法如下，对于N点的基2FFT，输入数据按照输入顺序记为d_index，index＝0，1，...，N-1，将index用二进制数表示，需要m比特，其中m＝log₂N，即记为index[m-1:0]，将所述输入数据存储在存储器中。

应用本发明的FFT处理器存储系统，可以处理N点的基2FFT运算，其中N为2的整数次幂。FFT处理器中，存储单元的大小为N个数据，并且存储器为单端口，同时系统仅包含一个基2蝶形处理单元。

因此，系统在集成电路实现中具有面积最小的优点，采用流水线结构，平均每个时钟周期进行一次蝶形运算，除了流水线的少数停顿之外，蝶形运算单元的利用率接近100％，有效提高了硬件资源的利用率。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有的级联结构FFT处理器框图；

图2是现有的单级结构FFT处理器框图；

图3是本发明的FFT处理器框图；

图4是本发明存储器中前32个数据示意图；

图5是本发明存储器读写时序图。

具体实施方式

下面给出一个在N点的基2FFT处理器的例子，在基2FFT运算中，共有log₂N级，每级蝶形运算数量为N/2。

如图3所示，本发明的FFT处理器的数据存储系统包括控制器，蝶形运算单元，数据存储器，旋转因子表格。其中控制器包括蝶形运算计数器，级数计数器，索引号生成器，地址映射器，延迟单元，旋转因子序号生成器。

蝶形运算计数器表示每级中的蝶形运算的序号，计数范围从0到N/2-1，每个时钟周期蝶形运算计数器加一，计到N/2-1之后从0重新计起。按二进制计数，蝶形运算计数器需要m-1比特位，式中m＝log₂N，计数结果记为count[m-2:0]。

级数计数器记录蝶形运算级数，计数范围从0到m-1。每次当蝶形运算计数器从N/2-1变为0，级数计数器加一，级数计数器计数结果记为s。

索引号生成器生成一次蝶形运算所需要的两个数据的索引号。对于输入的N个数据，索引号按照输入顺序分别标记从0到N-1，按二进制计数，索引号需要m＝log₂N位。基2FFT处理器运算每个蝶形需要两个数据，两个数据的索引号分别记为idx₁和idx₂。对于蝶形运算计数器计数结果count[m-2:0]，以及级数计数器的计数结果s，其意义为FFT运算中的第s级，第count[m-2:0]个蝶形运算。该蝶形运算所需的两个数据的索引号的生成方法如下：

idx₁[m-1:0]＝{count[m-2:m-s-1]，0，count[m-s-2:0]}；

idx₂[m-1:0]＝{count[m-2:m-s-1]，1，count[m-s-2:0]}，

该式的意义为，idx₁共m比特位，由count[m-2:m-s-1]，即count的第m-2比特位到第m-s-1比特位；一个比特位0；count[m-s-2:0]，即count的第m-s-2比特位到第0比特位三段组成。特别需要指出的是，对于count[m-2:m-s-1]，只有当s取值使得m-2≥m-s-1时，count[m-2:m-s-1]才有意义，否则该式不存在。特别是，当m-2＝m-s-1时，count[m-2:m-s-1]仅为一位。当m-2＞m-s-1时，count[m-2:m-s-1]为多位。对于count[m-s-2:0]，只有当s取值使得m-s-2≥0时，count[m-s-2:0]才有意义，否则该式不存在。特别是，当m-s-2＝0时，count[m-s-2:0]仅为一位。当m-s-2＞0时，count[m-s-2:0]为多位。因此，当s取最小值0时，idx₁和idx₂表达式中count[m-2:m-s-1]不存在，idx₁和idx₂也可以分别表示为idx₁[m-1:0]＝{0，count[m-s-2:0]}，idx₂[m-1:0]＝{1，count[m-s-2:0]}。当s取最大值m-1时，idx₁和idx₂表达式中count[m-s-2:0]不存在，idx₁和idx₂也可以分别表示为idx₁[m-1:0]＝{count[m-2:m-s-1]，0}，idx₂[m-1:0]＝{count[m-2:m-s-1]，1}。

地址映射器将索引号生成器所生成的两个索引号，按照下式映射为存储体编号与存储体内地址。

bank[0]＝index[0]；

$\mathrm{bank}\left[1\right]=\mathrm{index}\left[1\right]\⊕\mathrm{index}\left[2\right]\⊕...\⊕\mathrm{index}[m-1];$

address[m-3:0]＝index[m-1:2]。

式中，bank[1:0]为2个比特位的存储体标号，address[m-3:0]为m-2比特位的存储体内地址，index[m-1:0]为m比特位的数据输入顺序标号。上面三个公式的含义为，bank[1:0]的比特位0和index[m-1:0]的比特位0相同，bank[1:0]的比特位1由index[m-1:0]的比特位1到比特位m-1异或运算得到，address[m-3:0]的比特位m-3到比特位0和index[m-1:0]的比特位m-1到比特位2相同。

计算得到的两个数据的地址用来读存储器中数据。

延迟单元将地址映射器计算得到的两个数据的地址暂存，在三个时钟周期延迟之后用来写如蝶形运算结果。图5所示，在FFT运算开始的时候每个存储体的读写时序。在开始数个时钟周期内，流水线没有被填满，存储器读写带宽没有被充分利用。在流水线正常工作之后，如图5所示，第4个时钟周期开始，蝶形运算单元和存储器带宽都可以得到100％利用，每个时钟周期分别有两个数据读出，两个数据写入。

每个蝶形运算所需要的旋转因子按照顺序存储在旋转因子表格内。旋转因子序号生成器生成每个时钟周期蝶形运算所需旋转因子在旋转因子表格中的序号，生成序号的公式如下：

idx_r＝idx₁[0:m-1]＜＜(m-s)，

该式的意义为，将第一个数据的索引号idx₁的m个比特位翻转，即将第一位移到倒数第一位，第二位移到倒数第二位，依此类推，然后左移m-s位，移出的位扔掉，空出的位补零。

在蝶形运算单元中，为了实现数据的并行性，按照数据的存储位置进行蝶形运算，而不按蝶形运算的顺序。具体的方法为，第1次将存储体0和1中地址0中数据进行运算；第2次将存储体2和3中地址0中数据进行运算；第3次将存储体0和1中地址1中数据进行运算；第4次将存储体2和3中地址1中数据进行运算；依此类推。

在这种方法中，每次蝶形运算的数据索引号可以由下式求出：

$t=\mathrm{count}[m-2]\⊕\mathrm{count}[m-3]\⊕...\⊕\mathrm{count}\left[0\right];$

idx₁[m-1:0]＝{count[m-2:1]，t，0}；

idx₂[m-1:0]＝{count[m-2:1]，t，1}，

式中，t为由蝶形运算计数器计数结果的各个比特位异或所得到的1比特位数据。idx₁由蝶形运算计数器结果第m-2到第1比特位、1比特数据t、1比特数据0并列得到，idx₂由蝶形运算计数器结果第m-2到第1比特位、1比特数据t、1比特数据1并列得到。

按照此公式计算得到的数据索引号，再经过地址映射和旋转因子索引号生成，即可以读取数据进行蝶形运算。对于基2FFT运算中的log₂N级蝶形运算，在最后一级，即第log₂N级运算中，按照存储位置顺序进行的蝶形运算，可以在最后一级中保持数据的并行性。需要提出的是，在每个蝶形运算中两个数据的相关性在最后一级与其他级不同，即前m-1中存储体0和存储体2相关，存储体1与存储体3相关，最后一级中存储体0与存储体1相关，存储体2与存储体3相关。因此，最后一级运算之前需要等待数个时钟周期，使得流水线清空，以避免最后一级与前一级的数据冲突。

N点的基2FFT处理器地址映射方法，将输入数据按照输入顺序记为d_index，index＝0，1，...，N-1。将index用二进制数表示，需要m比特，其中m＝log₂N，即记为index[m-1:0]。将数据存储在存储系统中，存储器系统分为4个存储体，分别标号为0、1、2、3，标号用二进制记为bank[1:0]。4个存储体的大小均为N/4个数据容量，每个存储体的地址用二进制m-2比特记为address[m-3:0]。

将数据存储在4个存储体的方法如下，对于输入顺序标号为index[m-1:0]的数据，存储体标号和相应存储体内地址的确定方法如下：

bank[0]＝index[0]；

$\mathrm{bank}\left[1\right]=\mathrm{index}\left[1\right]\⊕\mathrm{index}\left[2\right]\⊕...\⊕\mathrm{index}[m-1];$

address[m-3:0]＝index[m-1:2]，

式中，bank[1:0]为2个比特位的存储体标号，address[m-3:0]为m-2比特位的存储体内地址，index[m-1:0]为m比特位的数据输入顺序标号。上面三个公式的含义为，bank[1:0]的比特位0和index[m-1:0]的比特位0相同，bank[1:0]的比特位1由index[m-1:0]的比特位1到比特位m-1异或运算得到，address[m-3:0]的比特位m-3到比特位0和index[m-1:0]的比特位m-1到比特位2相同。

按照上述方法存储的数据，前32个数据的存储位置如图4所示。N点的基2FFT运算分为m＝log₂N级，每级有N/2次蝶形运算。在前m-1级中，每个蝶形运算所需要的两个数据，按照蝶形运算的先后顺序，交叉分布在存储体0和存储体2，或者存储体1和存储体3中。例如，第一个蝶形运算的两个数据存储于存储体0和存储体2中；第二个蝶形运算的数据存储在存储体1和存储体3中；第三个蝶形运算的数据在存储体0和2中；依此类推。由于蝶形运算数据的存储体相关性和独立性，按照顺序进行蝶形运算，对于一次蝶形运算的数据，在不同的时钟周期进行读操作和写操作，就可以实现数据的并行读写，平均每个时钟周期执行一次蝶形运算。

对于最后一级运算，每个蝶形运算所需要的两个数据存储在存储体0和存储体1，或者存储体2和存储体3中。但是，按照蝶形运算的顺序，存储体0和1，与存储体2和3并非交叉排列。在最后一级实现数据并行读写的方法处理如前所述。

Claims (13)

1、一种FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：包括控制器，存储器，蝶形运算单元，旋转因子表格；所述存储器用于存储数据，该数据包括输入数据，中间临时数据以及结果数据，所述旋转因子表格按照顺序存储每个蝶形运算所需要的旋转因子，所述蝶形运算单元用于蝶形运算；

所述控制器包括蝶形运算计数器，级数计数器，索引号生成器，地址映射器，延迟单元，旋转因子序号生成器；

其中，蝶形运算计数器表示每级中的蝶形运算的序号；级数计数器记录蝶形运算级数；索引号生成器生成一次蝶形运算所需要的两个数据的索引号；地址映射器将索引号生成器所生成的两个索引号，映射为存储体编号与存储体内地址；延迟单元暂存地址映射器计算得到的两个数据的地址；旋转因子序号生成器生成每个时钟周期蝶形运算所需旋转因子在旋转因子表格中的序号。

2、如权利要求1所述的FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：所述存储器分成四个存储体，每个存储体的数据容量大小均为N/4个。

3、如权利要求2所述的FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：所述四个存储体分别标号为0、1、2、3，标号用二进制记为bank[1:0]；每个存储体的地址用二进制m-2比特，记为address[m-3:0]。

4、如权利要求1所述的FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：所述蝶形运算计数器的计数范围从0到N/2-1，每个时钟周期蝶形运算计数器加一，计到N/2-1之后从0重新计起；按二进制计数，蝶形运算计数器需要m-1比特位，式中m＝log₂N，计数结果记为count[m-2:0]。

5、如权利要求1或4所述的FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：所述级数计数器的计数范围从0到m-1，每次当蝶形运算计数器从N/2-1变为0，级数计数器加一，级数计数器计数结果记为s。

6、如权利要求1所述的FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：所述的索引号按下式生成：

idx₁[m-1:0]＝{count[m-2:m-s-1]，0，count[m-s-2:0]}；

idx₂[m-1:0]＝{count[m-2:m-s-1]，1，count[m-s-2:0]}，

式中idx₁为蝶形运算所需的第一个数据的索引号，idx₂为蝶形运算所需的第二个数据的索引号，其中，idx₁共m比特位，由count[m-2:m-s-1]，即count的第m-2比特位到第m-s-1比特位；一个比特位0；count[m-s-2:0]，即count的第m-s-2比特位到第0比特位三段组成，idx₂共m比特位，由count[m-2:m-s-1]，即count的第m-2比特位到第m-s-1比特位；一个比特位1；count[m-s-2:0]，即count的第m-s-2比特位到第0比特位三段组成。

7、如权利要求1所述的FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：所述地址映射器按照下式映射为存储体编号与存储体内地址：

bank[0]＝index[0]；

$\mathrm{bank}\left[1\right]=\mathrm{index}\left[1\right]\⊕\mathrm{index}\left[2\right]\⊕...\⊕\mathrm{index}[m-1];$

address[m-3:0]＝index[m-1:2]，

式中，bank[1:0]为2个比特位的存储体标号，address[m-3:0]为m-2比特位的存储体内地址，index[m-1:0]为m比特位的数据输入顺序标号，上面三个公式的含义为，bank[1:0]的比特位0和index[m-1:0]的比特位0相同，bank[1:0]的比特位1由index[m-1:0]的比特位1到比特位m-1异或运算得到，address[m-3:0]的比特位m-3到比特位0和index[m-1:0]的比特位m-1到比特位2相同。

8、如权利要求1所述的FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：所述旋转因子序号生成器生成的序号，按下式实现：

idx_r＝idx₁[0:m-1]＜＜(m-s)，

将第一个数据的索引号idx₁的m个比特位翻转，即将第一位移到倒数第一位，第二位移到倒数第二位，依此类推，然后左移m-s位，移出的位扔掉，空出的位补零。

9、如权利要求1所述的FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：所述蝶形运算单元按照数据的存储位置进行蝶形运算，具体的过程是，第1次将存储体0和1中地址0中数据进行运算；第2次将存储体2和3中地址0中数据进行运算；第3次将存储体0和1中地址1中数据进行运算；第4次将存储体2和3中地址1中数据进行运算；依此类推。

10、如权利要求9所述的FFT处理器的数据存储系统，其特征在于：每次蝶形运算的数据索引号由下式求出：

$t=\mathrm{count}[m-2]\⊕\mathrm{count}[m-3]\⊕...\⊕\mathrm{count}\left[0\right];$

idx₁[m-1:0]＝{count[m-2:1]，t，0}；

idx₂[m-1:0]＝{count[m-2:1]，t，1}，

式中，t为由蝶形运算计数器计数结果的各个比特位异或所得到的1比特位数据，idx₁由蝶形运算计数器结果第m-2到第1比特位、1比特数据t、1比特数据0并列得到，idx₂由蝶形运算计数器结果第m-2到第1比特位、1比特数据t、1比特数据1并列得到；

根据计算得到的数据索引号，再经过地址映射和旋转因子索引号生成，即可以读取数据进行蝶形运算。

11、一种FFT处理器的数据存储方法，其特征在于：对于N点的基2FFT，输入数据按照输入顺序记为d_index，index＝0，1，...，N-1，将index用二进制数表示，需要m比特，其中m＝log₂N，即记为index[m-1:0]，将所述输入数据存储在存储器中。

12、如权利要求11所述的FFT处理器的数据存储方法，其特征在于：所述存储器分为4个存储体，分别标号为0、1、2、3，标号用二进制记为bank[1:0]，所述4个存储体的大小均为N/4个数据容量，每个存储体的地址用二进制m-2比特记为address[m-3:0]。

13、如权利要求12所述的FFT处理器的数据存储方法，其特征在于：将所述输入数据存储在所述4个存储体的方法是，对于输入顺序标号为index[m-1:0]的数据，存储体标号和相应存储体内地址按下式确定：

bank[0]＝index[0]；

$\mathrm{bank}\left[1\right]=\mathrm{index}\left[1\right]\⊕\mathrm{index}\left[2\right]\⊕...\⊕\mathrm{index}[m-1];$

address[m-3:0]＝index[m-1:2]，

式中，bank[1:0]为2个比特位的存储体标号，address[m-3:0]为m-2比特位的存储体内地址，index[m-1:0]为m比特位的数据输入顺序标号，上面三个公式的含义为，bank[1:0]的比特位0和index[m-1:0]的比特位0相同，bank[1:0]的比特位1由index[m-1:0]的比特位1到比特位m-1异或运算得到，address[m-3:0]的比特位m-3到比特位0和index[m-1:0]的比特位m-1到比特位2相同。

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