原创 Xilinx System Generator 学习笔记（1）

一、FPGA信号处理的方法

  在数字信号处理方面，FPGA比DSP具有更多的优势，主要表现在速度和性能。FPGA处理的性能取决于处理数据的并行结构，而微处理器与所运行的频率密切相关。

  如下图所示，传统的微处理器和DSP在实现256阶FIR滤波器时，采用了顺序的处理结构。这样，就限制了数据的吞吐量。由于这个处理结构采用的是共享时间的乘积累加（Multiply Accumulate,MAC）单元，因此通过高频率驱动这个单元会造成系统的竞争力的降低。在这个结构中，每个数据采样执行256个乘和加操作。每256个时钟周期才能输出一个结果。

  当采用FPGA的并行处理结构时，可以得到最大的数据吞吐量。由于这种结构支持任何的并行度，因此可以很好地在性能和成本之间进行权衡。在这个结构中，每个数据采样同时执行256个乘和累加（MAC）操作，可以在每个时钟周期输出一个结果。

  以前使用FPGA进行数字信号处理比较困难，是由于使用HDL语言描述数字信号处理模型非常麻烦。但是，随着高级建模工具SysGen的出现，使得在FPGA内构建数字信号处理的模型变的更加简单。所以越来越多的高性能信号处理都采用FPGA实现，而不使用DSP。

  通常使用标准的Simulink块集创建一个可执行的规范。该规范可以使用浮点数值精度进行设计，而不需要知道详细的硬件细节。一旦定义了功能和基本的数据流，SysGen可以用来为Xilinx的器件指定硬件的实现细节。SysGen使用了Simulink中的Xilinx DSP块集，并且通过自动调用Xilinx的核生成器为所构建的DSP模块生成经过优化的网表。此外，SysGen可以执行所有的下游的实现工具，为FPGA生成比特流文件。同时可以选择通过使用来自Simulink所提取出来的测试向量创建用于ModelSim的测试平台。

       SysGen并不是用来取代基于HDL的设计，但是可以是设计的注意力只集中在关键的部分。类似地，绝大部分的DSP程序员都不会专门在汇编器中编程，他们都使用高级语言编程。只有在必须满足性能要求时才使用汇编。

拇指规则：在设计中必须管理内部硬件时钟的部分，应该使用HDL实现。设计中少量的关键部分使用SysGen实现，然后将HDL和SysGen设计连接起来。通常，除了外部接口以外，一个信号处理系统的绝大部分不需要这个级别的控制。System Generator 提供了机制，用于将HDL代码导入到设计中，这是HDL设计者十分感兴趣的。另一个令设计者感兴趣的方面是，SysGen能自动地生成HDL测试平台，包括测试向量。

  通过硬件协同仿真处理接口，我们可以在Simulink的控制下，在硬件上运行设计。这样，可以充分发挥matlab和Simulink用于数据分析和可视化的功能。

二、FPGA设计模块的介绍

     Xilinx Blockset,包含了基本的SysGen模块，一些模块是底层的，提供了对器件指定硬件的访问，其他是高层次的，实现信号处理和高级的通信算法。为了方便，具有广泛适用的模块（如Gateway I/O块）是很多库的成员。每个模块包含在Index库中。

Xilinx Reference Blockset 包含了SysGen的复合体，用于实现范围更广的功能

三、信号模型的构建

1、模型的时域表达式

通过 Z 变换 变换到 Z 域

2、打开System Generator，会打开matlab(版本为R2015b)，然后在命令窗口输入 simulink,然后simulink 就被打开了。

  在Simulink下新建一个空白的设计界面。然后在Simulink主界面的Library Browser窗口下展开Xilinx Blockset,点击击Floarting-Point，出现用于浮点信号处理的IP 核元件。如下图所示。

将Gateway In 和Gateway Out 元件拖入到设计中。

Gateway In元件作用：

1. 从浮点数转换为N位boolean类型，有符号（二进制补码）或者无符号定点精度；
2. 在转换期间，提供选项管理额外的位；
3. 在SysGen 生成的HDL设计中，定义了顶层输入端口的名字；
4. 当在SysGen 块中，勾选 Create Testbench 选项时，定义了测试平台的激励源；

Gateway Out 作用：

1. 将SysGen产生的定点数转为Simulink的双精度；
2. 在SysGen生成的HDL设计中，定义了顶层输出端口的名字。

   拖拽3个Delay元件和CMult元件、Addsub元件到设计窗口。

   展开Xilinx Blockset，找到Basic Elements,将System Generator 元件拖入设计窗口。

   在主界面的Libraries窗口下，找到并展开Simulink,找到Sinks,将Scope元件拖入到设计中。（打开Scope元件符号，将Number of axis 设置为2）

             按照如下图所示连接元器件

3、模型参数的设置

（1）Sine Wave

先介绍一下正弦信号的类型（Sine type）

1. 基于时间（Time-Based）的模式，在该模式下，正弦信号的输入由下式决定

在该模式下有两个可以选择的子模式，即连续模式和离散模式。Sample time 参数的值确定子模式，当该参数为0时，是连续模式，当该参数大于0时，是离散模式。

   2.基于采样（Sample-Based）的模式，使用下面的公式：

其中，A是信号的幅度，P是每个正弦周期的采样个数，k是重复的整数值，其范围从0~（p-1）, o 是信号的偏置（相位移动）；b是信号的直流偏置。

参数按如下图配置

  双击Gateway In符号，打开参数设置对话框，参数设置为：Output Type : Float-point;Floating-point Precision:Single其他参数默认。

   双击Delay1符号，在Basic标签页，设置Latency为2；Delay2的Latency设置为3。

  双击CMult符号，参数设置如下：Constant value:3；Constant Type: Floating-point；Floating-point Precision: Single。

       双击CMult1符号，参数设置如下：Constant value:4；Constant Type: Floating-point；Floating-point Precision :Single；

双击CMult2符号，参数设置如下：Constant value: 1.5；Constant Type: Floating-point；Floating-point Precision:Single

双击所有Addsub符号，将Latency设置为0（无延迟）

4、模型的仿真

  在设计窗口的工具栏的文本框中输入45.0；然后单击仿真按钮，开始仿真；仿真结束后，在设计中双击Scope符号。显示如下图

5、生成模型子系统

  鼠标选中Gateway In 和Gateway Out之间的区域，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中，选择Create Subsystem From Selection 命令。

6、模型HDL代码的生成

双击System Generator 符号，参数设置如下

然后单击Generate。

7、打开设计文件并仿真

在netlist子目录下打开该工程，然后进行行为级仿真

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