用matlab来实现fpga功能的设计

文章摘要： 在Matlab中，我们可以通过simulink的库浏览器使用Xilinx blockset库中的模块，Xilinx blockset库中的模块可以与simulink其它库中的模块自由组合。Xilinx blockset库中最重要的模块是System Generator，利用该模块可完成系统级设计到基于ＦＰＧＡ的底层硬件设计的转换工作。可以在System Generator模块的属性对话框中选择目标ＦＰＧＡ器件、目标系统时钟周期等选项。System Generator将Xilinx blockset中的模块映射为ＩＰ库中的模块，接着从系统参数（例如采样周期）推断出控制信号和电路，

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       在Matlab中，我们可以通过simulink的库浏览器使用Xilinx blockset库中的模块，Xilinx blockset库中的模块可以与simulink其它库中的模块自由组合。Xilinx blockset库中最重要的模块是System Generator，利用该模块可完成系统级设计到基于ＦＰＧＡ的底层硬件设计的转换工作。可以在System Generator模块的属性对话框中选择目标ＦＰＧＡ器件、目标系统时钟周期等选项。System Generator将Xilinx blockset中的模块映射为ＩＰ库中的模块，接着从系统参数（例如采样周期）推断出控制信号和电路，再将simulink的分层设计转换为ＶＨＤＬ的分层网表，之后，System Generator即可调用Xilinx ＣＯＲＥ Generator和ＶＨＤＬ模拟、综合、实现工具来完成硬件设计。
 
       由于一般的ＦＰＧＡ综合工具不支持浮点数，因此System Generator模块使用的数据类型为任意精度的定点数，这样可以实现准确的硬件模拟。由于smulink中的信号类型是双精度浮点数，因此在xil-inx模块和非Ｘｉｌｉｎｘ模块之间必须插入gateway inblock和gateway inblock模块。通常simulink中的连续时间信号在Ｇａｔｅｗａｙ Ｉｎ ｂｌｏｃｋ模块中进行采样，同时该模块也可将双精度浮点信号转换为定点信号，而Ｇａｔｅｗａｙ Ｏｕｔ ｂｌｏｃｋ模块则可将定点信号转换为双精度浮点信号。大部分xilinx模块能够根据输入信号类型推断输出信号的类型。如果模块的精度参数定义为全精度，则模块将自动选择输出信号类型以保证不损失输入信号精度，并自动进行符号位扩展和补零操作。用户也可以自定义输出信号类型来进行精度控制。

３、使用中需注意的问题
       在FPGA系统设计中，时钟的设计十分重要。因此必须正确理解System Generator中的时钟和ＦＰＧＡ硬件时钟之间的关系。simulink中没有明确的时钟源信号，模块在系统参数中定义的采样周期点进行采样。硬件设计中的外部时钟源对时序逻辑电路十分重要。在System Generator模块中，通过定义simulink System period和fpga  system clock period参数可以建立simulink采样周期和硬件时钟间的关系，也可通过设置这些参数来改变Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中模拟时间和实际硬件系统中时间的比例关系。simulink的系统周期一般是各模块采样周期的最大公约数。ＦＰＧＡ的硬件时钟是单位为ｎｓ的硬件时钟周期。例如，若simulink中有两个模块，采样周期分别为２ｓ和３ｓ，而ＦＰＧＡ系统时钟周期为10ns，则simulink系统周期应该为两个模块采样周期的最大公约数即为1s。这意味着simulink中的１ｓ对应实际硬件系统的10ns。在生成硬件系统前，System Generator将自动检查用户定义的simulink系统周期参数是否与系统中模块的采样周期相冲突，如果冲突，则提示用修改Simulink系统周期参数。
    有些情况会导致System Generator模块产生不确定数（NaN-not a number）。如在双端口ram模块中，两个端口同时对模块中的某一地址进行写操作时，该地址中的数据将被标记为ＮａＮ。如果模块中有不确定数出现，则表明该模块的最终硬件实现将会有不可预测的行为，当simulink进行仿真时，System Generator将会捕捉该错误。

４、应用实例
      图２是一个图像处理应用实例的系统实现框图。该应用实例使用５×５的二维FIR滤波器完成图像增强预处理。该系统将输入图像分别延迟０×Ｎ（Ｎ为输入图像宽度）、１×Ｎ、２×Ｎ、３×Ｎ、４×Ｎ个采样点后输入５个Line Buffer，数据在Line Buffer中缓存后并行输入５个５抽头的MAC　FIR滤波器。滤波器系统存储于ＦＰＧＡ的块ＲＡＭ中，图像数据经滤波器处理后输出。图３为Line Buffer实现框图，图４为５×５滤波器框图。

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