使用MATLAB為System Generator for DSP創(chuàng)建IP(圖)

使用MATLABM文件借助AccelChip綜合工具優(yōu)化FPGA實現(xiàn)

將基于圖形和基于語言的設計方法結(jié)合起來最能準確描述DSP系統(tǒng)。DSP建模軟件行業(yè)專家The MathWorks提供了一種稱為Simulink的時序精度的圖形化設計環(huán)境和一種稱為MATLAB的數(shù)學建模語言，從而滿足了這種二分法。

Simulink非常適合DSP設計的“系統(tǒng)”方面，包括輸入輸出接口和存儲器數(shù)據(jù)流的控制與同步。Simulink還以模塊集的形式提供了一個豐富的預定義DSP算法集，可以用來構(gòu)建DSP系統(tǒng)。不過，對于專用算法的建模來說，Simulink并非總是最有效的開發(fā)環(huán)境。它不必要地增加了設計人員考慮時序精度的負擔，并且強制用圖形模塊集而非簡明的文本表達式來構(gòu)建底層的算術(shù)運算和數(shù)組操作。

圖1 顯示系統(tǒng)控制和同步邏輯的Xilinx System Generator圖

有些DSP算法開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)MATLAB語言最能滿足他們喜歡的開發(fā)方式。MATLAB具有針對信號處理、通信和小波處理的1000多種內(nèi)置函數(shù)和工具箱擴展，為復雜算法的開發(fā)和調(diào)試提供了豐富且易用的環(huán)境。

Simulink利用一個嵌入式MATLAB模塊將這兩種建模環(huán)境統(tǒng)一起來，該模塊允許MATLAB模型在Simulink內(nèi)部仿真，再通過Real-Time Workshop編譯成C代碼后在DSP處理器上實現(xiàn)。

Xilinx System Generator for DSP是一種廣泛公認的高效工具，用于在FPGA中創(chuàng)建DSP設計。System Generator for DSP提供了基于Simulink的圖形環(huán)境和Xilinx DSP核的預定義模塊集，這同時滿足了系統(tǒng)架構(gòu)設計師和硬件設計人員的需要，前者需要把組件集成到設計中，而后者需要優(yōu)化實現(xiàn)。不過，System Generator for DSP缺少對基于MATLAB的設計流程的支持。

Xilinx AccelDSPTM綜合工具是專為已經(jīng)熟悉基于語言的DSP算法建模的算法開發(fā)人員和DSP架構(gòu)設計師開發(fā)的。借助AccelDSP綜合工具，算法開發(fā)人員可以用浮點MATLAB M文件創(chuàng)建激勵、評估算法并對結(jié)果進行后處理。

DSP硬件系統(tǒng)

System Generator for DSP非常適合DSP系統(tǒng)建模，它不僅包括核心DSP算法，還包括針對外部總線、存儲器讀寫訪問、系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步和整體系統(tǒng)控制的同步接口。System Generator for DSP提供了面向控制的模塊（如MicroBlazeTM處理器），還提供了用于實現(xiàn)DSP系統(tǒng)同步的各個寄存器、延時器和存儲器模塊（如圖1所示）。

自定制DSP算法

任何DSP系統(tǒng)的核心都是算法。算法與系統(tǒng)的區(qū)別在于所產(chǎn)生的輸出是基于給定輸入集的函數(shù)，與時鐘或硬件無關(guān)。這可以由以下簡單公式表示：

y=f(x)

我們可以分別在FPGA、DSP處理器和軟件上執(zhí)行一種MATLAB定義的算法，它們對時序精度的理解各不相同。

算法的這種特有性質(zhì)具有兩大好處。

首先，算法開發(fā)人員完全不用顧及硬件實現(xiàn)細節(jié)，可以只專心于算法功能。正因為如此，今天在DSP中使用的算法估計有90%都是首先作為MATLAB模型出現(xiàn)的，即使設計流程表明它們此后還要重新實現(xiàn)Simulink圖或System Generatorfor DSP圖。用一個簡單的MATLAB語句就可以計算4×1024數(shù)據(jù)矩陣的快速傅里葉變換(FFT)，不必考慮基數(shù)、擴展性、緩沖或有效信號的同步，如下所示：

y=fft(data,1024)

其次，在建立算法模型時，給定的輸出集總是對應于給定的輸入集；因此，不必在生成的硬件中解決同步問題。這就使算法具有可通過AccelDSP這樣的綜合工具進行調(diào)度的固有“可調(diào)度”性。由于硬件要求，可能需要使用多個時鐘周期來計算一個輸出（如資源共享MAC FIR濾波器的情形），但這種操作卻非常適合AccelDSP綜合工具的自動流程。加入一個簡單的硬件握手接口即可為集成到整個系統(tǒng)敞開方便之門，如圖2所示。

圖2 AccelDSP 握手接口

MATLAB運算符(如矩陣轉(zhuǎn)置)可以使MATLAB代碼短小易讀。而像矩陣求逆運算這類復雜運算可以用MATLAB豐富的線性代數(shù)功能完成。

AccelDSP和System Generator工具一起使用

AcceDSP綜合工具可依據(jù)浮點MATLAB模型生成System Generator IP模塊，從而使System Generator for DSP能夠支持DSP系統(tǒng)和算法兩種建模方法。這樣可以產(chǎn)生與用嵌入式MATLAB模塊功能相似的FPGA設計流程（見圖3）。我們可以用Xilinx DSP模塊集實現(xiàn)系統(tǒng)設計，而用浮點MATLAB實現(xiàn)算法設計。用AccelDSP綜合工具創(chuàng)建的System Generator IP模塊是具有時序精度特點的定點模塊。

卡爾曼濾波器示例

我們來看一種用MATLAB編寫的高級算法，使用AccelDSP綜合工具進行綜合，然后將算法集成到System Generator模型中?？柭鼮V波器是一種特殊類型的自適應遞歸濾波器，非常適合將多個有噪聲的信號合并成一個較清晰的信號?？柭鼮V波器以對象（如由地面雷達跟蹤的商用飛機）的數(shù)學模型開始，使用該模型預測未來行為。然后，濾波器使用實測信號（如返回到雷達接收器的飛機特征信號）定時校正預測。

圖3 DSP系統(tǒng)框圖

以下是一個卡爾曼濾波器的MATLABM文件。該算法定義矩陣R和I，這兩個矩陣描述了實測信號和預測行為的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。算法的后九行是前向預測代碼和自我校正代碼。

                                                                                        表1 控制所生成硬件的綜合指令

像加減這類常用運算符是在A或P_cap這類數(shù)組上運算，無須像C語言所要求的那樣編寫循環(huán)語句。二維數(shù)組自動以矩陣相乘，無須任何特別注釋。

MATLAB運算符（如矩陣轉(zhuǎn)置）可以使MATLAB代碼短小易讀。而像矩陣求逆這類復雜運算可以用MATLAB豐富的線性代數(shù)功能完成。雖然可以將這種算法構(gòu)建成框圖，但這樣做很容易使算法結(jié)構(gòu)在MATLAB中顯得費解。有了AccelDSP綜合工具，就可以用AccelWare IP工具套件將復雜的MATLAB工具箱和內(nèi)置函數(shù)（如卡爾曼濾波器示例中使用的矩陣求逆）直接賦予硬件。這些工具套件提供多種矩陣求逆方法。核的選擇取決于矩陣的大小、結(jié)構(gòu)和值。

我們再回到卡爾曼濾波器示例，最適宜的方法是使用AccelWare QR矩陣求逆核。AccelWare核是依據(jù)MATLAB語法生成的，可有多種硬件實現(xiàn)架構(gòu)，這些架構(gòu)允許用戶對設計進行速度、面積、功耗和噪聲優(yōu)化。為了使用AccelWare功能，需要對代碼進行以下小修改：

用AccelDSP綜合工具綜合MATLAB可以使用AccelDSP綜合工具進行浮點仿真，以建立一個基準來參考。然后將設計轉(zhuǎn)換成定點，以便進行定點效果仿真。有諸多功能可以幫助分析這些效果和定點設計（如飽和與四舍五入）。數(shù)據(jù)位寬的增長可以用戶控制的方式自動傳播到整個設計中。這種算法設計瀏覽過程可以幫助您獲得理想的量化結(jié)果，此量化結(jié)果能夠在控制上溢出/下溢出的同時盡量縮小位寬，以便盡早在硅片面積與性能指針之間進行權(quán)衡。一旦確定了適宜的量化結(jié)果，使用AccelDSP綜合工具的下一步就是為Xilinx目標器件生成RTL?？梢酝ㄟ^使用表1所列綜合指令來規(guī)定硬件含義。使用這些指令可以規(guī)范基于硬件的設計瀏覽，使設計小組能夠進一步提高結(jié)果質(zhì)量。在綜合RTL時，AccelDSP綜合工具評估和調(diào)度整個算法，并且在可能時進行邊界優(yōu)化。

AccelDSP工具在整個流程中都保持始終如一的驗證環(huán)境，這是因為使用了自校驗式測試平臺，即使用MATLAB定點設計時生成的輸入/輸出向量來驗證生成的RTL。AccelDSP綜合工具還會報告卡爾曼濾波器的流量和延時量，這是衡量設計是否滿足指標以及生成時序精度的SystemGenerator模型所必需的。

生成System Generator模型

成功完成RTL驗證之后，即可通過單擊“Generate System Generator”圖標來為設計生成System Generator模型。AccelDSP工具產(chǎn)生一個可支持仿真和RTL代碼的System Generator IP模塊。

此時，設計流程過渡到System Generator for DSP，其中可以在Simulink庫瀏覽器中使用卡爾曼濾波器的新模塊，只需選擇卡爾曼濾波器模塊，然后將其拖入到目標環(huán)境中，便可將AccelDSP生成的卡爾曼濾波器集成到System Generator設計中。

結(jié)束語

自定制DSP算法最適于用MATLAB建立數(shù)學模型，而完整的系統(tǒng)則最適于用Simulink建立時序精度的模型。這兩種建模域緊密結(jié)合即可使用豐富的MATLAB語言（包括內(nèi)置函數(shù)和工具箱函數(shù)）來創(chuàng)建復雜DSP算法的System Generator IP模塊，從而為在FPGA中設計DSP系統(tǒng)提供一種有效的手段。