Sinyal işleme uygulamaları için FPGA tabanlı DSP çekirdek tasarımı

Abstract

FPGA teknolojisi günümüzde birçok alanda, endüstride ve araştırma projelerinde kullanılmaktadır. Bu alanlar öncelikle askeri, havacılık, uzay, medikal gibi kritik projelerin gerçekleştirildiği önemli sektörlerdir. FPGA, esnek yapısı, yüksek işlem kabiliyeti, paralel işlem yeteneği ve alanda programlanabilir olmasıyla, özel ve yüksek işlem gücü isteyen sinyal işleme uygulamaları için elektronik entegre devreler içerisinde ilk sıralarda yerini almıştır. Bu çalışmada FPGA üzerinde sinyal işleme uygulamalarında kullanılabilecek bir DSP çekirdek tasarımı yapılmıştır. FPGA üzerinde sinyal işleme uygulamaları, esnek ve değiştirilebilir yapısından dolayı birçok alanda tercih edilmektedir. Paralel işlem yapabilme kabiliyeti de FPGA teknolojisinin önemli yeteneklerinden biridir. FPGA'ler klasik bir DSP çipine göre çok daha esnek, değiştirilebilir ve özelleştirilebilir bir yapıdadır. Bu özellikler açısından karşılaştırılınca mikrodenetleyiciler ile kıyaslanmayacak kadar yüksek avantajları vardır. Geliştirilen DSP çekirdeği içerisinde öncelikle temel yapılar donanım bazında tasarlanmıştır. Tasarlanan her bir modül birim testlerden geçirilmiştir. Sistemin diğer bileşenler ile çalışabilmesi için ana kontrolcü çekirdeği ve haberleşme modülleri yine bu tez kapsamında tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Tez geliştirilirken Verilog dili ve Intel'in Cyclone serisi bir FPGA'i kullanılmıştır. Geliştirme ortamı Intel'in ücretsiz sağladığı Quartus Lite'tır. Geliştirilen modüller, tasarım yaklaşımı açısından davranışsal veya veri akış modeli ile geliştirilmiştir. Bu tez çalışmasının sonucunda akademik araştırmalarda ve ticari projelerde kullanılabilecek bir çalışma yapılmıştır. FPGA tabanlı DSP uygulamalarına referans olabilecek yapılar ortaya çıkmıştır. Temel ve bazı özel DSP algoritmalarını içeren bir DSP çekirdeği tasarlanmış ve tüm testleri gerçekleştirilmiştir.FPGA technology is now used in many fields, industry and research projects. These areas are important sectors where primarily critical projects such as military, aerospace, and medical. With its flexible structure, high processing capability, parallel processing capability and programmable in field feature, FPGA has taken the first place among electronic integrated circuits for signal processing applications requiring special and high processing power. In this study, a DSP core design which can be used in signal processing applications on FPGA was made. The signal processing applications on FPGA are preferred in many areas due to their flexible and changeable structure. The ability to perform parallel operation is one of the important capabilities of FPGA technology. FPGAs are more flexible, interchangeable and customizable than a conventional DSP chip. In terms of these features, they have advantages that are incomparably higher than microcontrollers. Within the developed DSP core, the basic structures are designed on a hardware basis. Each module designed has been subjected to unit tests. In order for the system to work with other components, the main controller core and communication modules have been designed and developed within the scope of this thesis. As a result of this thesis, a study that can be used in academic researches and commercial projects has been conducted. Structures that could be reference to FPGA-based DSP applications have emerged. A DSP kernel containing basic and some specific DSP algorithms was designed and all tests were performed.