FPGA通信設計基礎DspBuilder使用初步

第2章AlteraDSPBuilder設計2.1Matlab/Simulink簡介

Matlab和Mathematic、Mapple并成為三大數學軟件。在數學類科技應用軟件中尤其是是在數值計算方面首屈一指。

Matlab可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創(chuàng)建用戶界面、鏈接其它編程語言的程序?？梢杂脕磉M行數值分析、數字與符號計算、工程和科學繪圖、控制系統(tǒng)設計與仿真、數字信號處理、通信系統(tǒng)設計與仿真、財務與金融分析。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。

Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。2.2基于Matlab/SimulinkFPGA開發(fā)

在FPGA或與處理器結合的FPGA上實現設計算法時，需要對影響功能性能的定點特性進行準確的建模?？稍贛ATLAB和Simulink中創(chuàng)建浮點算法規(guī)格，然后將其轉換為位真定點數據類型以供仿真。對設計進行模型級定點優(yōu)化可用于透徹地研究FPGA設計所涉及的定點權衡。還可以創(chuàng)建有限狀態(tài)機來對這些算法的控制邏輯進行建模。使用Simulink模型，將其作為測試平臺通過聯合仿真來驗證FPGA實現方案。使用HDL驗證工具，可在諸如ModelSim等HDL仿真器中對實現方案進行仿真，還可使用Simulink來創(chuàng)建測試激勵、仿真黃金參考模型并將預期仿真結果與實際結果相比較。采用Simulink和自定義HDL仿真器來運行回歸測試和進行交互式調試會話。此方法消除了手動傳輸測試向量的需要，且使您可在設計過程中更早發(fā)現設計錯誤。使用HDL生成工具，能自動從模型生成可自定義的、與目標無關的VHDL和Verilog代碼，這些代碼可綜合以用于FPGA實現。可通過更新模型并重新生成代碼來快速修改該代碼。生成的代碼可傳遞到下游工具以供綜合、布局、布線，并將位流下載到FPGA。Matlab/Simulink支持FPGA的開發(fā)方式將Simulink與AlteraDSPBuilder配合使用Simulink與XilinxSystemGeneratorforDSP配合使用將Simulink和HDLCoder與MentorGraphicsFPGA設計工具配合使用在傳統(tǒng)的涉及HDL代碼的技術的DSP設計過程中，要使得FPGA實現達到最佳性能，整個過程會非常耗時。

在MATLAB和Simulink中進行AlteraFPGA開發(fā)，首先使用Altera的DSPBuilder在Simulink環(huán)境中進行算法開發(fā)、仿真和驗證。

2.3Matlab/DSPBuilder及其設計流程

DSPBuilder模塊可用于在Simulink中建模的系統(tǒng)構建FPGA硬件實現。通過采用具有位幀和周期準確性的Altera模塊集來構建模型，可以在Simulink環(huán)境內快速準確地評估AlteraFPGA的硬件實現。Altera模塊集包含算術函數、邏輯函數、存儲接口以及Avalon內存映射和流接口?？蓪⒁延械腍DL代碼和AlteraMegaCoreIP內核的模型集成到設計中。

DSPBuilder高級功能集可在數分鐘之內在Simulink中創(chuàng)建出針對AlteraFPGA優(yōu)化的設計，且無需直接使用HDL代碼。只需在Simulink模型中指定諸如所需的時鐘頻率和通道數等頂級設計約束，DSPBuilder即會自動生成針對所選的AlteraFPGA器件優(yōu)化的流水線化的RTL。因為該高級模塊集使用時分復用技術來優(yōu)化邏輯利用率；并自動插入流水線階段和寄存器以符合設計約束，因此可在AlteraFPGA中獲得與手工優(yōu)化的HDL代碼相近的性能?；贛atlab、DSPBuilder進行FPGA開發(fā)流程應用Altera模塊庫在Simulink進行建模仿真添加SignalCompiler到設計中

生成HDLCode代碼并產生Testbench進行RTL級仿真綜合HDL代碼并進行布局布線FPGA期間編程應用SignalTapII進行邏輯分析AlteraDspBuilder設計流程

Altera模塊庫可用于快速評估設計在Altera器件中的性能、生成時序最佳的HDL代碼以及對照Simulink模型驗證硬件實現方案。

2.4Altera模塊庫簡介AltLabArithmeticBoardsComplexTypeGate&ControlIO&BusRateChangeSOPCBuilderLinksStateMachineFunctionsStorageMegaCoreFunctionsVideoandImageProcessing1、AltLabLibrarySignalCompilerHDLSubSystemBuildHierarchicalSystemHDLImportSignalTapIIBlockSignalTapIIAnalysisBP:BusProbeDeviceprogrammerHILQuartusIIGlobalProjectAssignmentQuartusIIPinoutAssignmentVcdSinkSubSystemBuilderCreatesBlack-Box1、AltLab庫--SignalCompiler模塊

SignalCompiler模塊為DSPBuilder的核心模塊，完成如下功能：將Simulink模型轉換為可綜合的RTLVHDL；生成VHDLtestbenches；生成Verilogtestbenches；通過Quartus?

II生成VerilogHDL仿真模型；將Simulink激勵轉換為VHDLtestbench并生成txt格式的期望響應；生成Tcl腳本用于Quartus

II的編譯；生成適用于LeonardoSpectrum、PrecisionRTLSynthesis、Synplify和ModelSim?進行仿真的Tcl腳本；生成Quartus

II仿真的波形文件；生成PTF配置文件，可將模型導入SOPCBuilder；允許生成SignalTap

II(.stp)文件；生成QuartusII模塊符號文件(.bsf)。UpdateDiagram：SignalCompiler模塊是否對Simulink模型重新進行仿真再提取DSPBuilder模塊的信息。Analyze：SignalCompiler模塊讀取當前仿真模型的mdl文件，測試模型的層次信息以及所有DSPBuilder模塊的采樣時間。每次改變模型后都必須重新進行分析操作。SkipAnalyze：跳過模型分析。

創(chuàng)建完Simulink仿真模型后利用Simulink進行仿真，如果無誤需要轉換為VHDL實現時，可雙擊SignalCompiler模塊或者調用sc_altera函數。運行界面如下圖

1、AltLab庫--SignalCompiler模塊

在菜單欄左邊的工程設置選項中可以選擇目標器件的類型、用于綜合的綜合器、綜合與適配的優(yōu)化目標、主時鐘周期、全局復位電平、reset是否接地、是否嵌入SignalTapII邏輯分析儀、是否生成測試激勵、是否生成SOPCptf文件、是否生成Verilog文件。在右邊的硬件編譯部分給出了SignalCompiler模塊的工作流程,首先點擊第一步，將MDL轉換為VHDL，同時會生成Tcl腳本文件;第二步進行VHDL的綜合；第三步調用QuartusII進行綜合；如果目標器件為DSP開發(fā)板則可以直接將代碼下載到DSP開發(fā)板上。底部的ProjectInfo給出了當前系統(tǒng)的信息；ReportFile給出了SignalCompiler轉換后的硬件信息。1、AltLab庫--SignalCompiler模塊

1、AltLab庫--HDLImport模塊在Simulin平臺上可以利用AlteraDspBuilder中AltLab庫中的HDL模塊將HDL文本語言設計轉換成DspBuilder設計模塊。參與整個模塊的軟件仿真、硬件仿真、VHDL語言轉換和硬件實現。HDLImport的設計步驟：完成HDL文本設計調入HDLImport模塊雙擊模塊加入HDL設計文件1、AltLab庫--HIL硬件環(huán)模塊在Simulin平臺上進行仿真有以下缺點：速度慢不能完全反映硬件特性把設計完全放在Quartus上仿真，激勵信號難以獲得，仿真結果難以觀察。理想的方法是在Simulink平臺上將設計模型下載到FPGA芯片中，利用Simulink提供的各類仿真工具進行仿真，即HardwareINLoop。算術庫包括二進制補碼有符號算術模塊，如乘法器、加法器。有些模塊有UseDedicatedCircuitry這一選項，即此類模塊可以利用Altera?tratix?

II、Stratix、StratixGX、Cyclone

II的模塊如DSP模塊來實現。2、算術庫ArithmeticLibraryComparatorDivideGainIncrementDecrementMagnitudeMultiplyAccumulateMultiplyAddParallelAdderSubtractorProductSumofPartialProductsIntegratorDifferentiatorArithmeticLibrary–MultiplyAdd2-4OptiontouseDSPBlocksiftargetdeviceisStratixOptiontouseconstantvaluesspecifiedasaMATLABarraySignedIntegerUnsignedIntegerSignedFractionalAddAddAddSubSubAddSubSubNoRegisterInputsOnlyMultiplierOnlyAdderOnlyInputsandMultiplierInputsandAdderMultipliersandAdderInputsMultiplierandAdder3、I/O與總線控制模塊庫主要是控制信號和總線來完成諸如截位、飽和、bit提取、總線類型轉換等操作。BusManipulation–AltBusAltBusModesInput&OutputPortDefinesHardwareBoundariesConvertsFloating-PointtoFixed-PointInternalNodeDefinesInternalHardwareNodeWidthsConvertsSBFFormatsConstantImplementsConstantsinHardwareBlackBoxDefinedLaterBusManipulation–BusConversionSignedIntegerUnsignedIntegerSignedFractionalON:Outputisroundedawayfromzero.OFF:LSBtruncated<int>(input+0.5)ON:IfOutput>Max.Positivevalue,Output=MaxPositiveValueElseOutput<Min.NegativevalueOutput=Min.NegativevalueOFF:MSBtruncatedBP:BusProbe4、復信號處理庫4、復信號處理庫ButterflyComplexMultiplexerComplexConjugateComplexDelayComplexProductComplexAddSubComplexConstantComplextoReal-imagReal-imagtoComplexImplementDecimationinTimeFFTButterflya,b,W,A,BAreComplexNumber(SignedInteger)a=x+jX;b=y+jY;W=v+jVA=a+bW;B=a-bWA=(x+yv)+YV+j(X+Yv-yV)B=(x-yv)-YV+j(X-Yv+yV)

4、復信號處理庫--Butterfly4、復信號模塊--Complex–Real-ImagtoComplexX=a+BjConjugate:Conjugate(X)=a-BjInvert:Invert(X)=-a-BjX=a+BjY=C+DjMultiply:X*Y=(A*C–B*D)+(A*D+BC)j5、Gate&ControlLibraryCaseStatementIfStatementLogicalBitOperatorLogicalBusOperatorSinglePulseLUTN-to-1Multiplexer1-to-NDemuxDecoderBitwiseLogicalBusOperator5、Gate&ControlLibrary--Ex:ConvolutionalInterleaver5、存儲器（Storage）模塊庫6、StorageLibraryDelayDownSamplingDual-portRAMFIFOLFSRSequenceLUTParalleltoSerialPatternROMEABSerialtoParallelShiftTapsUpSampling6、Storage–ShiftTapsSpecifiestheNumberofRegularlySpacedTapsAlongtheShiftRegisterSpecifiestheDistanceBetweentheRegularlySpacedTapsinClockCyclesUseOutputattheEndofShiftRegisterforCascading7、ROMEAB&ShiftTapsBlocks--Ex:PolyphaseFilter7、RateChange模塊庫(1)該庫模塊允許控制DSPBuilder模塊如Delay或IncrementDecrement模塊的時鐘。為保證Simulink和VHDL時鐘精度的一致則必須設置Simulink的Solver，參數設置見圖：選擇Fixed-step；選擇discrete(nocontinuousstate)；選擇SingleTasking模式6、RateChange模塊庫(2)ClockAltr模塊

——用于仿真模型中加入新的硬件時鐘。PLL模塊——可綜合出一個基于某一參考時鐘的時鐘信號。

Multi-RateDFF模塊

——用于采樣頻率的變化Tsamp模塊

——用于指定內部數據的采樣時間。6、RateChange模塊庫(3)Variablepll_output_clock0(definedinblockuntitled/PLL)=1e-008Variablepll_output_clock1(definedinblockuntitled/PLL)=4e-008Variablepll_output_clock2(definedinblockuntitled/PLL)=2e-006RateChange–Multi-RateDFFSynchronizedatapathintersectionsinvolvingmultipleratesRateChange–Tsamp&PLLBlocks

Ex:PolyphaseFilter7、DSP板模塊庫8、BoardLibrary

8、有限狀態(tài)機2.5正弦信號發(fā)生器設計

2.5.1建立設計模型1、打開Matlab環(huán)境

啟動Matlab主界面2.5.1建立設計模型2、建立工作庫cde:/mkdir/myprj/sinwavecd/myprj/sinwave3、了解simulink庫管理器

啟動Simulink3、了解simulink庫管理器

simulink庫管理器4.simulink的模型文件

建立simulink文件5、放置SignalCompilder

6、放置IncrementDecrement

7.設置IncCount總線類型（BusType）；輸出位寬（Numberofbits）；增減方向（Direction）；開始值（StartingValue）；是否使用控制輸入（UseControlInputs）時鐘相位選擇（ClockPhaseSelection）放置SignalCompiler

遞增遞減模塊改名為IncCount7.設置IncCount設置遞增遞減模塊

7.設置IncCount放置LUT模塊7.設置IncCount8、放置正弦查找表（SinLUT）127*sin[0:2*pi/2^6]:2*pi])127*sin[0:2*pi/2^8]:2*pi511*sin[0:2*pi/2^6]:2*pi])+512設置SinLUT

8、放置正弦查找表（SinLUT）Delay模塊及其參數設置窗9、放置Delay模塊設置SinCtrl

10、放置端口SinCtrl

設置SinCtrl

10、放置端口SinCtrl

設置乘法單元11、放置Product模塊設置SinOut

12.放置輸出端口SinOut13.設計文件存盤Step模塊2.5.2Simulink模型仿真1、加入仿真步進模塊

Scope模型

2.5.2Simulink模型仿真2、添加波形觀察模塊Scope初始顯示2、添加波形觀察模塊設置Scope參數

3、Scope參數設置

sinout全圖

3、Scope參數設置

設置仿真步長Step4、設置仿真激勵運行simulink仿真

4、設置仿真激勵simulink仿真設置

5、啟動仿真

有符號輸出波形（系統(tǒng)級仿真）5、啟動仿真

無符號輸出波形（系統(tǒng)級仿真）5、啟動仿真

無符號整數SignedInteger輸出電路

6、設計成無符號數據輸出

SinOut1模塊設置7、各模塊功能說明

ExtractBit模塊設置

7、各模塊功能說明

BusConversi