FLT_MACC

简介

滤波器数学加速器可执行有限脉冲响应（FIR）和无限脉冲响应（IIR）滤波。该单元允许将频繁或耗时的滤波运算从 CPU 卸载，从而让处理器专注于其他任务。在许多情况下，相比纯软件实现，它能显著加速此类计算，进而加速对时序要求严格的任务。

该单元内置一块用于输入与输出数据的本地存储器，可通过寄存器接口进行访问。

主要特性

FLT_MACC 的主要特性包括：

支持 q7、q15、q31 数据类型
支持 FIR 和 IIR（直接形式 1）函数，最大抽头数 1023
可在本地存储器中定义至多 3 个数据缓冲区区域（两个输入，一个输出），由可编程基地址指针与配套大小寄存器指定
输入与输出缓冲区可配置为循环缓冲区，系数缓冲区为固定缓冲区
支持向量函数：点积、卷积、相关
ICB 从机接口
DMA 读写请求与应答通道
本地存储器支持由 SoC 中的其他主机访问

功能描述

FLT_MACC 单元执行定点的乘法与累加（MAC）。

FLT_MACC 的框图如图 6.1 所示。

FLT_MACC 可以从本地存储器中取两个 Q 类型数据（q7、q15 或 q31），将它们相乘并累加到累加器。本地存储器被划分为三个区域：X1 缓冲区（输入）、X2 缓冲区（系数）、Y 缓冲区（输出）。每个缓冲区的大小与基地址可由软件配置。

点积：CPU 或 DMA 先将输入向量与系数向量装入本地存储器；取出每对元素相乘并累加；处理完所有元素后，将累加器结果写回本地存储器，供 CPU 或 DMA 读取。
FIR：重复计算“系数向量 B 与输入样本向量 X”的点积；每次重复输入向量右移 1 个样本（丢弃最旧、加入最新）。
IIR：在 FIR 卷积结果基础上，再叠加“延迟输出向量与反馈系数向量”的卷积。

本地存储器和缓冲区

该单元内置 2080×32 位读/写本地存储器，用于保存数据与系数：

输入值存放于 X1 缓冲区（最大 1024）
系数值存放于 X2 缓冲区（最大 1024）
输出值存放于 Y 缓冲区（最大 32）

缓冲区的位置和大小如下所示：

x1_base：X1 缓冲区基地址
x1_size：X1 缓冲区条目数
x2_base：X2 缓冲区基地址
x2_size：X2 缓冲区条目数
y_base：Y 缓冲区基地址
y_size：Y 缓冲区条目数

上述参数在配置单元时通过相应寄存器进行编程。

CPU 或 DMA 可通过“初始化函数”并向写数据寄存器写入，初始化各缓冲区内容。写指针每次写后自增；到达分配空间末尾后回绕至基地址。此机制用于在操作前加载向量元素，或在滤波器初始化时加载滤波器系数。

初始化函数

以下函数用于初始化 FLT_MACC 单元：

加载 X1 缓冲区
加载 X2 缓冲区
加载 Y 缓冲区

触发方式：向 FLT_MACC_PARAM1 寄存器的 FUNC 位字段写入对应功能值，并置位 START。与此同时，FLT_MACC_PARAM0 寄存器中的 N、M 位字段需按函数要求提供正确参数；G 在初始化函数中不使用。函数完成后，START 由硬件自动清零。

建议在初始化期间禁用 DMA 请求与中断。由于初始化无流控需求，数据写入 FLT_MACC 本地存储器可由软件或 DMA 完成。

加载X1缓冲区

此函数从 X1_BASE 开始预加载 X1 缓冲区的 N 个值。连续写 FLT_MACC_XWDATA 将数据装入 X1 并递增写地址。函数完成时，写指针指向 X1_BASE + N。可用于预装输入向量元素，或初始化滤波器输入存储单元。

参数：

N：写入到 X1 的值数量
M、G：不使用

当对 FLT_MACC_XWDATA 完成 N 次写入时，函数完成。

加载X2缓冲区

此函数从 X2_BASE 开始预加载 X2 缓冲区的 N + M 个值。连续写 FLT_MACC_XWDATA 将数据装入 X2 并递增写地址。可用于预装系数或向量元素。IIR 情况下，先 N 个前馈系数后接 M 个反馈系数拼接装载，总数 N + M；FIR 情况下 M=0。

参数：

N：从 X2_BASE 开始写入到 X2 的数量
M：从 X2_BASE + N 开始再写入到 X2 的数量
G：不使用

当对 FLT_MACC_XWDATA 完成 N + M 次写入时，函数完成。

加载Y缓冲区

此函数从 Y_BASE 开始预加载 Y 缓冲区的 N 个值。连续写 FLT_MACC_YWDATA 将数据装入 Y 并递增写地址。函数完成时读指针指向 Y_BASE + N。可用于预装 IIR 的反馈延迟线。

参数：

N：写入到 Y 的值数量
M、G：不使用

当对 FLT_MACC_YWDATA 完成 N 次写入时，函数完成。

滤波器函数

FLT_MACC 支持以下滤波器函数。通过向 FLT_MACC_PARAM1.FUNC 写入对应值并置位 START 触发。FLT_MACC_PARAM0 的 N、M、G 需按下述规定提供正确参数。

注意：滤波器函数会持续运行，直到软件清除 START 位。

FIR滤波器

Y = B*X

此函数计算长度为 N+1 的系数向量 B 与无限长度输入向量 X 的卷积。对每个 n，输出 yn = B·Xn，其中 Xn = [xn−N, …, xn] 为 X 在 n−N 到 n 的 N+1 个元素。该函数即有限脉冲响应（FIR）滤波，B 为系数，X 为采样数据。

注意：交叉相关可通过反转系数向量 B 的顺序实现。

输入：

X1：向量 X 元素，长度 N + 1 + d 的循环缓冲区
X2：向量 B 元素，长度 N + 1 的固定缓冲区

输出：

Y：输出 yn，长度 d 的循环缓冲区

参数：

N：系数向量 B 的长度（范围内）
G：增益；输出到 Y 的值乘以 2**G，G ∈ [0:7]
M：不使用

当软件清除 FLT_MACC_PARAM1.START 时，函数完成。

IIR滤波器

Y = B*X + A*Y’

此函数为无限脉冲响应（IIR）滤波。输出向量 Y 由两部分相加：长度 N+1 的系数 B 与 X 的卷积，以及长度 M 的系数 A 与延迟输出向量 Y’ 的卷积。对每个 n，yn = B·Xn + A·Yn−1，其中 Xn = [xn−N, …, xn]，Yn−1 = [yn−M, …, yn−1]。

输入：

X1：向量 X 元素，长度 N + 1 + d 的循环缓冲区
X2：系数向量 B 与 A 串接（b0…bN, a1…aM），长度 N+M+1 的固定缓冲区

输出：

Y：输出 yn，长度 M + d 的循环缓冲区

参数：

N：系数向量 B 的长度
M：系数向量 A 的长度
G：增益；输出到 Y 的值乘以 2**G，G ∈ [0:7]

当软件清除 FLT_MACC_PARAM1.START 时，函数完成。

使用FLT_MACC实现FIR滤波器

FLT_MACC 支持长度 N 的 FIR（N 为抽头/系数数）。最小本地存储需求：2N + 2（N 个系数、N 个输入样本、2 个输出样本）。为最大吞吐可在输入/输出缓冲区分别预留 d1 与 d2，总需求为 2N + d1 + d2。

缓冲区配置建议：

X1_BUF_SIZE = N + d1
X2_BUF_SIZE = N
Y_BUF_SIZE = d2（如无额外空间则为 2）

缓冲区基地址可任意分配，但 X2 不得与其他区域重叠，以免系数被覆盖。示例：

X2_BASE = 0
X1_BASE = N
Y_BASE = 2N + d1

Note

X1 与 Y 缓冲区区域不得重叠。
X1 配置寄存器 FULL_WM ≤ log2(d1)，否则在写满 N 个输入样本前即标满，不再请求新样本。
Y 配置寄存器 EMPTY_WM ≤ log2(d2)。

系数须通过“加载 X2 缓冲区”预装到 X2。X1 可选预装至多 N 个样本（q7 需 4 的倍数，q15 需 2 的倍数）。FIR 无反馈路径，无需预装 Y。

数据搬运方式（由 FLT_MACC_CR 选择）：

轮询：不使能 DMA/中断；写前检查 X1_FULL 为低，读前检查 Y_EMPTY 为低

中断：当 X1_FULL 为低（写）或 Y_EMPTY 为低（读）时产生中断请求

DMA：当 X1_FULL 为低（写通道）或 Y_EMPTY 为低（读通道）时产生 DMA 请求

Note

同一方向不可同时启用“中断”和“DMA”。

WIEN	RIEN	DMAWEN	DMAREN	写方式	读方式
0	0	0	0	轮询	轮询
0	1	0	0	轮询	中断
1	0	0	0	中断	轮询
1	1	0	0	中断	中断
0	0	0	1	轮询	DMA
0	0	1	0	DMA	轮询
0	0	1	1	DMA	DMA
0	1	1	0	DMA	中断
1	0	0	1	中断	DMA

启动 FIR 滤波：

FUNC = 7’b000_1000
N = 系数数量
M = don’t care
G = 增益
START = 1

若 X1 预装少于 N + d − 2**FULL_WM，则 X1FULL 保持为低。

若 FLT_MACC_CR.WIEN 置位，则立即拉起写中断请求，提示处理器经 FLT_MACC_XWDATA 补写 2**FULL_WM 个样本；每完成 2**FULL_WM 次写入检查一次 X1FULL，直至其为高；若 DMAWEN 置位，则持续产生 DMA 写通道请求直至 X1FULL 置高。
当至少写入 N 个样本后产生首个输出。
当向 Y 写入满 2**EMPTY_WM 个输出样本时，YEMPTY 置低；若 RIEN 置位，拉起读中断请求，提示处理器经 FLT_MACC_RDATA 读取 2**EMPTY_WM 个样本；中断保持，直到 YEMPTY 置高。若 DMAREN 置位，则持续产生 DMA 读通道请求，直到 YEMPTY 置高。
中断服务程序应每完成 2**EMPTY_WM 次从 FLT_MACC_RDATA 读取后检查一次 YEMPTY，直至该标志置高。

滤波持续运行，直到软件清除 START。

使用FLT_MACC实现IIR滤波器

FLT_MACC 支持长度 N 的前馈与长度 M 的反馈 IIR（仅支持直接形式 1；其他结构需先转换）。为最大吞吐建议在输入与输出缓冲区额外预留 d1 与 d2，总需求为 2M + 2N + d1 + d2。

缓冲区配置：

X1_BUF_SIZE = N + d1
X2_BUF_SIZE = N + M
Y_BUF_SIZE = M + d2

Note

各缓冲区基地址可任意分配，但不得重叠。
FULL_WM、EMPTY_WM 的设置要求同 FIR。

系数（先 N 个前馈，再 M 个反馈）须通过“加载 X2 缓冲区”预装到 X2。X1 可选预装至多 N 个样本；Y 可选预装至多 M 个值以初始化反馈延迟线。

数据搬运方式与组合规则同 FIR。

启动配置：

轮询：不使能 DMA/中断；写前检查 X1_FULL 为低再写 FLT_MACC_XWDATA，读前检查 Y_EMPTY 为低再读 FLT_MACC_RDATA
FUNC = 7’b001_0000
N = 前馈系数数
M = 反馈系数数
G = 增益
START = 1

若 X1 预装少于 N + d − 2**FULL_WM，则 X1FULL 保持为低：

若 WIEN 置位，连续请求补写 2**FULL_WM 个样本；服务程序每完成 2**FULL_WM 次写入检查 X1FULL，直至为高。若 DMAWEN 置位，持续产生 DMA 写通道请求，直至 X1FULL 置高。
至少写入 N 个样本后计算首个输出：使用 X1 中前 N 个样本与 Y 中前 M 个样本（无论是否预装）；首个输出写入地址为 Y_BASE + M。
当累计写入 2**EMPTY_WM 个新输出样本时，YEMPTY 置低；若 RIEN 置位，提示处理器经 FLT_MACC_RDATA 读取 2**EMPTY_WM 个样本；中断保持直到 YEMPTY 置高；若 DMAREN 置位，持续产生 DMA 读请求直到 YEMPTY 置高。
中断服务程序应每完成 2**EMPTY_WM 次从 FLT_MACC_RDATA 读取后检查一次 YEMPTY，直至该标志置高。

滤波持续运行，直到软件清除 START。

中断

FLT_MACC 提供五个可屏蔽中断。通过 FLT_CR 可分别使能/禁止各中断；将相应屏蔽位置 1 即启用。

五个中断源如下：

饱和错误标志（SAT）
下溢错误标志（UNFL）
溢出错误标志（OVFL）
读中断标志（RIF）
写中断标志（WIF）

寄存器

FLT_MACC寄存器

FLT_MACC中寄存器和相应的偏移量如下表所示。

表 8.1: FLT_MACC中寄存器的偏移地址
偏移量	寄存器名	功能描述
0x0	FLT_X1BUF_CFG	FLT_MACC X1缓冲区配置寄存器
0x4	FLT_X2BUF_CFG	FLT_MACC X2缓冲区配置寄存器
0x8	FLT_YBUF_CFG	FLT_MACC Y缓冲区配置寄存器
0xC	FLT_PARAM0	FLT_MACC 参数0寄存器
0x10	FLT_PARAM1	FLT_MACC 参数1寄存器
0x14	FLT_CR	FLT_MACC 控制寄存器
0x18	FLT_SR	FLT_MACC 状态寄存器
0x1C	FLT_XWDATA	FLT_MACC x缓冲区写数据寄存器
0x20	FLT_RDATA	FLT_MACC 读数据寄存器
0x24	FLT_YWDATA	FLT_MACC y缓冲区写数据寄存器
0x2C	FLT_CFG	FLT_MACC 配置寄存器
0x30	FLT_MACC_VER	FLT_MACC 版本寄存器

FLT_MACC X1 缓冲区配置寄存器

地址偏移：0x0。

表 8.2: FLT_X1BUF_CFG格式
字段	位	访问	复位值	描述
base	11:0	R/W	0x0	X1缓冲区的基地址
Reserved	15:12	/	0x0	/
size	26:16	R/W	0x0	X1缓冲区大小。（缓冲区宽度为32位最小缓冲区大小是滤波器中前馈抽头数（+水印阈值-1））
Reserved	29:27	/	0x0	/
full_wm	31:30	R/W	0x0	缓冲区满标志的水印 - 2’b00: 阈值=1 - 2’b01: 阈值=2 - 2’b10: 阈值=4 - 2’b11: 阈值=8

FLT_MACC X2 缓冲区配置寄存器

地址偏移：0x4。

表 8.3: FLT_X2BUF_CFG格式
字段	位	访问	复位值	描述
base	11:0	R/W	0x0	X2缓冲区的基地址
Reserved	15:12	/	0x0	/
size	26:16	R/W	0x0	X2缓冲区大小。（缓冲区宽度为32位最小缓冲区大小是滤波器中前馈抽头数（+水印阈值-1））
Reserved	31:27	/	0x0	/

FLT_MACC Y 缓冲区配置寄存器

地址偏移：0x8。

表 8.4: FLT_YBUF_CFG格式
字段	位	访问	复位值	描述
base	11:0	R/W	0x0	Y缓冲区的基地址
Reserved	15:12	/	0x0	/
size	26:16	R/W	0x0	Y缓冲区大小。（缓冲区宽度为32位最小缓冲区大小是滤波器中前馈抽头数（+水印阈值-1））
Reserved	29:27	/	0x0	/
empty_wm	31:30	R/W	0x0	缓冲区空标志的水印 - 2’b00: 阈值=1 - 2’b01: 阈值=2 - 2’b10: 阈值=4 - 2’b11: 阈值=8

FLT_MACC 参数0寄存器

地址偏移：0xC。

表 8.5: FLT_PARAM0格式
字段	位	访问	复位值	描述
n	10:0	R/W	0x0	输入参数N（前馈系数数量）当函数正在进行时（START=1），此位字段不能被修改
m	21:11	R/W	0x0	输入参数M（反馈系数数量）当函数正在进行时（START=1），此位字段不能被修改
g	26:22	R/W	0x0	输入参数G（增益系数）当函数正在进行时（START=1），此位字段不能被修改
Reserved	31:27	/	0x0	/

FLT_MACC 参数1寄存器

地址偏移：0x10。

表 8.6: FLT_PARAM1格式
字段	位	访问	复位值	描述
func	6:0	R/W	0x0	功能 - 7’b000_0001: 加载X1缓冲区 - 7’b000_0010: 加载X2缓冲区 - 7’b000_0100: 加载Y缓冲区 - 7’b000_1000: FIR滤波器 - 7’b001_0000: IIR滤波器（默认为直接形式1，若 n=2,m=2，则为双二阶（直接形式2）） - 其他：保留当函数正在进行时（START=1），此位字段不能被修改
Reserved	30:7	/	0x0	/
start	31	R/W	0x0	启用执行 - 1’b0: 停止执行 - 1’b1: 开始执行设置此位触发 FUNC 位字段中选择的函数的执行。通过软件复位它停止任何正在进行的函数。

FLT_MACC 控制寄存器

地址偏移：0x14。

表 8.7: FLT_CR格式
字段	位	访问	复位值	描述
rien	0	R/W	0x0	启用读中断 - 1’b0: 禁用。不生成读中断请求。 - 1’b1: 启用。当Y缓冲区EMPTY标志未设置时生成中断请求。此位由软件设置和清除。读取返回位的当前状态。
wien	1	R/W	0x0	启用写中断 - 1’b0: 禁用。不生成写中断请求。 - 1’b1: 启用。当X1缓冲区FULL标志未设置时生成中断请求。此位由软件设置和清除。读取返回位的当前状态。
ovflien	2	R/W	0x0	启用溢出错误中断 - 1’b0: 禁用。在溢出检测时不生成中断。 - 1’b1: 启用。如果OVFL标志被设置，则生成中断请求。此位由软件设置和清除。读取返回位的当前状态。
unflien	3	R/W	0x0	启用下溢错误中断 - 1’b0: 禁用。在下溢检测时不生成中断。 - 1’b1: 启用。如果UNFL标志被设置，则生成中断请求。此位由软件设置和清除。读取返回位的当前状态。
satien	4	R/W	0x0	启用饱和错误中断 - 1’b0: 禁用。在饱和检测时不生成中断。 - 1’b1: 启用。如果SAT标志被设置，则生成中断请求。此位由软件设置和清除。读取返回位的当前状态。
dmaren	5	R/W	0x0	启用DMA读通道请求 - 1’b0: 禁用。不生成DMA请求 - 1’b1: 启用。当Y缓冲区非空时生成DMA请求。只有当FLT_PARAM寄存器中START=0时，此位才能被修改。读取返回位的当前状态。
dmawen	6	R/W	0x0	启用DMA写通道请求 - 1’b0: 禁用。不生成DMA请求 - 1’b1: 启用。当X1缓冲区未满时生成DMA请求。只有当FLT_PARAM寄存器中START=0时，此位才能被修改。读取返回位的当前状态。
clipen	7	R/W	0x0	启用裁剪 - 1’b0: 裁剪禁用。累加器输出超出q1.15范围的值会回绕。 - 1’b1: 裁剪启用。累加器输出超出q1.15范围的值根据符号饱和到最大正值或负值（+1或-1）。
Reserved	15:8	/	0x0	/
reset	16	R/W	0x0	复位FLT_MACC单元这复位写和读指针、内部控制逻辑、FLT_SR寄存器和FLT_PARAM寄存器，包括如果活动的START位。其他寄存器设置不受影响。此位由硬件复位。 - 1’b0: 复位非活动 - 1’b1: 复位活动
Reserved	31:17	/	0x0	/

FLT_MACC 状态寄存器

地址偏移：0x18。

表 8.8: FLT_SR格式
字段	位	访问	复位值	描述
yempty	0	RO	0x1	Y缓冲区空标志如果未读数据的数量小于EMPTY_WM阈值，则缓冲区被标记为空。未读数据的数量是读指针和当前输出目标地址之间的差。 - 1’b0: Y缓冲区非空。如果RIEN位被设置，中断请求被断言直到标志被设置。如果DMAREN被设置，DMA读通道请求被生成直到标志被设置。 - 1’b1: Y缓冲区空。此位由硬件设置和清除，或通过复位。
x1full	1	RO	0x1	X1缓冲区满标志如果可用空间的数量小于FULL_WM阈值，则缓冲区被标记为满。可用空间的数量是写指针和当前使用的最近样本之间的差。 - 1’b0: X1缓冲区未满。如果WIEN位被设置，中断请求被断言直到标志被设置。如果DMAWEN被设置，DMA写通道请求被生成直到标志被设置。 - 1’b1: X1缓冲区满。此位由硬件设置和清除，或通过复位。
ovfl	2	RO	0x0	溢出错误标志当在X1缓冲区中没有可用空间时对FLT_WDATA进行写入时发生溢出。 - 1’b0: 未检测到溢出。 - 1’b1: 检测到溢出。如果OVFILEN位被设置，则生成中断。此标志通过单元复位清除。
unfl	3	RO	0x0	下溢错误标志当在Y缓冲区中没有有效数据可用时从FLT_RDATA进行读取时发生下溢。 - 1’b0: 未检测到下溢 - 1’b1: 检测到下溢。如果UNFLIEN被设置，则生成中断。此标志通过单元复位清除。
sat	4	RO	0x0	饱和错误标志当累加的结果超出累加器的数值范围时发生饱和。 - 1’b0: 未检测到饱和 - 1’b1: 检测到饱和。如果SATIEN位被设置，则生成中断。此位通过单元复位清除。
rif	5	W1C	0x0	读中断标志
wif	6	W1C	0x0	写中断标志
Reserved	31:7	/	0x0	/

FLT_MACC 写数据寄存器

地址偏移：0x1C。

表 8.9: FLT_XWDATA格式
字段	位	访问	复位值	描述
wdata	31:0	WO	0x0	写数据。对该寄存器执行写访问时，写数据将被传输到由写指针指示的地址偏移；指针地址在每次写访问后自动递增。

FLT_MACC 读数据寄存器

地址偏移：0x20。

表 8.10: FLT_RDATA格式
字段	位	访问	复位值	描述
rdata	31:0	RO	0x0	读数据。对该寄存器执行读访问时，读数据为由写指针指示地址偏移处的 Y 输出缓冲区内容；指针地址在每次读访问后自动递增。

FLT_MACC Y 缓冲区写数据寄存器

地址偏移：0x24。

表 8.11: FLT_YWDATA格式
字段	位	访问	复位值	描述
wdata	31:0	WO	0x0	写数据。对该寄存器执行写访问时，写数据将被传输到由写指针指示的地址偏移；指针地址在每次写访问后自动递增。

FLT_MACC 配置寄存器

地址偏移：0x2C。

表 8.12: FLT_CFG格式
字段	位	访问	复位值	描述
rm	2:0	R/W	0x0	舍入模式 \| 定点：3’b000 向下；3’b001 最近偶数；3’b010 最近向上；3’b011 奇数；其他：保留 \| 浮点：3’b000 最近且偶数；3’b001 到零；3’b010 向下；3’b011 向上；3’b100 最近且最大幅度；3’b101 最近且奇数；其他：保留
Reserved	3	/	0x0	/
fm	5:4	R/W	0x0	数据格式 - 2’b00: Q7 - 2’b01: Q15 - 2’b10: Q31 - 2’b11: 保留
Reserved	31:6	/	0x0	/

FLT_MACC 版本寄存器

地址偏移：0x30。

表 8.13: FLT_MACC_VER格式
字段	位	访问	复位值	描述
version	31:0	RO	0x10002	flt_macc版本