用matlab來實現fpga功能的設計

摘要：System Generator for DSP是Xilinx公司開發的基于Matlab的DSP開發工具?熗?時也是一個基于FPGA的信號處理建模和設計工具。文章介紹了在Matlab中使用System Generator for DSP實現FPGA硬件設計的方法，同時給出了一個應用實例。
關鍵詞：Matlab；FPGA；System Generator；DSP

      近年來，在數字通信、網絡、視頻和圖像處理領域，FPGA已經成為高性能數字信號處理系統的關鍵元件。FPGA的邏輯結構不僅包括查找表、寄存器、多路復用器、存儲器，而且還有快速加法器、乘法器和Ｉ／Ｏ處理專用電路。FPGA具有實現高性能并行算法的能力，是構成高性能可定制數據通路處理器（數字濾波、FFT）的理想器件。如Virtex-II Pro FPGA包含高性能的可編程架構、嵌入式PowerPC處理器和3.125Gbps收發器等。

     但是，FPGA在數字信號處理領域的廣泛應用受限于幾個因素。首先，DSP開發人員不熟悉硬件設計，尤其是FPGA。他們使用Matlab驗證算法，運用Ｃ語言或匯編語言編程，通常不會使用硬件描述語言（ＶＨＤＬ或Ｖｅｒｉｌｏｇ）實現數字設計。其次，雖然ＶＨＤＬ語言也提供了許多高層次的語言抽象，但是基于并行硬件系統的ＶＨＤＬ程序設計與基于微處理器的串行程序設計有很大的不同。
     基于以上原因，Xilinx公司開發了基于Matlab的System Generator for DSP工具。System Generator for DSP是Simulink中一個基于FPGA的信號處理建模和設計工具。該工具可以將一個DSP系統表示為一個高度抽象的模塊，并自動將系統映射為一個基于FPGA的硬件方案。重要的是，該System Generator for DSP實現這些功能并沒有降低硬件性能。

1、System Generator for DSP的特點
     simulink為DSP系統提供了強有力的高層次建模環境，可大量應用于算法開發和驗證。System Generator for DSP作為simulink的一個工具箱很好地體現了這些特性，同時又可以自動將設計轉換為可綜合的高效硬件實現方案。該硬件實現方案忠實于原始設計，因此設計模型與硬件實現在采樣點（在simulink中定義）是一一對應的。通過使用Xilinx精心設計的ＩＰ（ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ）核可以使硬件方案具有較小的延遲和體積。雖然System Generator中的ＩＰ模塊是經過功能抽象的，但是對于熟悉ＦＰＧＡ的設計者來說，該模塊也具有直接訪問底層硬件細節的能力。例如，可以指定System Generator乘法器模塊使用Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ系列FPGA中的專用高速乘法器元件，用戶定義的ＩＰ模塊也能夠作為黑盒子插入系統之中，等等。
使用System Generator for DSP實現系統設計的主要特點有：
●在simulink中實現FPGA電路的系統級建模，并自動生成硬件描述語言。
●自動生成modelsim測試程序，支持軟硬件仿真。
●支持用戶創建的simulink模塊。
●使用XILINX FPGA自動實現硬件系統。支持的XILINX FPGA系列包括Spartan-II,Spartan-IIE、Spar-tan-3、Virtex、Virtex-E、Virtex-II、Virtex-II PRO。

２、使用System Generator for DSP實現系統級建模
      傳統的DSP系統開發人員在設計一個DSP系統時，一般先研究算法，再使用matlab或Ｃ語言驗證算法，最后由硬件工程師在fpga或DSP上實現并驗證。典型的DSP系統設計流程如下：
（１）用數學語言描述算法。
（２）設計環境中使用雙精度數實現算法。
（３）將雙精度運算變為定點運算。
（４）將設計轉換為有效的硬件實現。
       使用System Generator for DSP可以簡化這一過程。設計人員先在matlab中對系統進行建模和算法驗證，經過仿真后便可以直接將系統映射為基于ＦＰＧＡ的底層硬件實現方案。可用simulink提供的圖形化環境對系統進行建模。System Generator for DSP包括被稱為xukub xilinx blockset的simulink庫和模型到硬件實現的轉換軟件，可以將simulink中定義的系統參數映射為硬件實現中的實體、結構、端口、信號和屬性。另外，System Generator可自動生成FPGA綜合、仿真和實現工具所需的命令文件，因此用戶可以在圖形化環境中完成系統模型的硬件開發。圖１為使用System Generator for DSP設計系統的流程圖。

       在Matlab中，我們可以通過simulink的庫瀏覽器使用Xilinx blockset庫中的模塊，Xilinx blockset庫中的模塊可以與simulink其它庫中的模塊自由組合。Xilinx blockset庫中最重要的模塊是System Generator，利用該模塊可完成系統級設計到基于ＦＰＧＡ的底層硬件設計的轉換工作。可以在System Generator模塊的屬性對話框中選擇目標ＦＰＧＡ器件、目標系統時鐘周期等選項。System Generator將Xilinx blockset中的模塊映射為ＩＰ庫中的模塊，接著從系統參數（例如采樣周期）推斷出控制信號和電路，再將simulink的分層設計轉換為ＶＨＤＬ的分層網表，之后，System Generator即可調用Xilinx ＣＯＲＥ Generator和ＶＨＤＬ模擬、綜合、實現工具來完成硬件設計。

       由于一般的ＦＰＧＡ綜合工具不支持浮點數，因此System Generator模塊使用的數據類型為任意精度的定點數，這樣可以實現準確的硬件模擬。由于smulink中的信號類型是雙精度浮點數，因此在xil-inx模塊和非Ｘｉｌｉｎｘ模塊之間必須插入gateway inblock和gateway inblock模塊。通常simulink中的連續時間信號在ＧａｔｅｗａｙＩｎｂｌｏｃｋ模塊中進行采樣，同時該模塊也可將雙精度浮點信號轉換為定點信號，而ＧａｔｅｗａｙＯｕｔｂｌｏｃｋ模塊則可將定點信號轉換為雙精度浮點信號。大部分xilinx模塊能夠根據輸入信號類型推斷輸出信號的類型。如果模塊的精度參數定義為全精度，則模塊將自動選擇輸出信號類型以保證不損失輸入信號精度，并自動進行符號位擴展和補零操作。用戶也可以自定義輸出信號類型來進行精度控制。

３、使用中需注意的問題
在FPGA系統設計中，時鐘的設計十分重要。因此必須正確理解System Generator中的時鐘和ＦＰＧＡ硬件時鐘之間的關系。simulink中沒有明確的時鐘源信號，模塊在系統參數中定義的采樣周期點進行采樣。硬件設計中的外部時鐘源對時序邏輯電路十分重要。在System Generator模塊中，通過定義simulink System period和fpga system clock period參數可以建立simulink采樣周期和硬件時鐘間的關系，也可通過設置這些參數來改變Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中模擬時間和實際硬件系統中時間的比例關系。simulink的系統周期一般是各模塊采樣周期的最大公約數。ＦＰＧＡ的硬件時鐘是單位為ｎｓ的硬件時鐘周期。例如，若simulink中有兩個模塊，采樣周期分別為２ｓ和３ｓ，而ＦＰＧＡ系統時鐘周期為10ns，則simulink系統周期應該為兩個模塊采樣周期的最大公約數即為1s。這意味著simulink中的１ｓ對應實際硬件系統的10ns。在生成硬件系統前，System Generator將自動檢查用戶定義的simulink系統周期參數是否與系統中模塊的采樣周期相沖突，如果沖突，則提示用修改Simulink系統周期參數。
有些情況會導致System Generator模塊產生不確定數（NaN-not a number）。如在雙端口ram模塊中，兩個端口同時對模塊中的某一地址進行寫操作時，該地址中的數據將被標記為ＮａＮ。如果模塊中有不確定數出現，則表明該模塊的最終硬件實現將會有不可預測的行為，當simulink進行仿真時，System Generator將會捕捉該錯誤。

４、應用實例
圖２是一個圖像處理應用實例的系統實現框圖。該應用實例使用５×５的二維FIR濾波器完成圖像增強預處理。該系統將輸入圖像分別延遲０×Ｎ（Ｎ為輸入圖像寬度）、１×Ｎ、２×Ｎ、３×Ｎ、４×Ｎ個采樣點后輸入５個Line Buffer，數據在Line Buffer中緩存后并行輸入５個５抽頭的MAC　FIR濾波器。濾波器系統存儲于ＦＰＧＡ的塊ＲＡＭ中，圖像數據經濾波器處理后輸出。圖３為Line Buffer實現框圖，圖４為５×５濾波器框圖。