在Matlab中實現FPGA硬件設計

發布時間:2007/8/24 0:00:00 訪問次數:1193

作者：江霞

　　摘要：System Generator for DSP是Xilinx公司開發的基于Matlab的DSP開發工具同時也是一個基于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 Generatorｆｏｒ DSP工具。System Generatorｆｏｒ 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。

　　１ＳｙｓｔｅｍＧｅｎｅｒａｔｏｒｆｏｒ 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 Generatorｆｏｒ 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 GeneratorｆｏｒＤＳＰ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Ｘｉｌｉｎｘｂｌｏｃｋｓｅｔ庫中的模塊，Ｘｉｌｉｎｘｂｌｏｃｋｓｅ