FPGA开发之算法开发System Generator

现在的FPGA算法的实现有下面几种方法：
1. Verilog/VHDL 语言的开发 ;
2. system Generator;
3. ImpulsC 编译器实现从 C代码到 HDL 语言；
4. Vivado HLS。

本文主要讲述第二种方法的配置方法。

system Generator
System generator 可以和 ISE or Vivado 进行无缝连接。 但是需要有个版本的对应关系：

System generator 安装之后会在Simulin模块库中添加一些Xilinx FPGA专用的模块库，包括Basic Element，Communication，Control Logic，DataTypes，DSP，Math，Memory，Shared Momory，Tool等模块库，只有使用这里的模块才能进行FPGA算法的仿真以及进行综合等等。使用这些模块就可以简单的选一些模块，连一些线就能自动生成你需要的HDL代码，将开发人员从底层枯燥的代码编写中解脱出来，将更多的精力放在算法上，非常完美的体现了工具为人服务的理念。 ISE14.7 ，Vavido HLS 已经能够使用C和C++生成HDL代码，那个主要是针对Xilinx公司7系列的FPGA，有兴趣的同学可以尝试。另外 Matlab2013a 将HDL coder作为一个独立的工具添加进来，已经能够支持Xilinx公司的FPGA。

一、System Generator快速入门

(一)．Xilinx Blockset库的基本介绍

System Generator和Simulink是无缝链接的，可以在MATLAB标准工具栏中直接启动，如图1-1所示。这些模块都根据其功能划分为不同的库，为了易于使用，又在某些库中添加了部分有广泛应用的模块，所有的模块都按字母顺序排列在Xilinx Index库中。读者需要注意的是：在Simulink环境中，只有通过Xilinx模块搭建的系统才能保证硬件可实现，其地位类似于HDL语言中的可综合语句。

图1-1 Xilinx DSP模块集 (Xilinx Blockset)

从设计流程中可以看出，熟悉Xilinx DSP基本模块库是设计流程中的关键环节，只有掌握了基本模块的特性和功能，才能更好地实现算法。由Xilinx模块库和System Generator一起，可生成Xilinx可编程器件的最优逻辑，这属于最低层的设计模块，地位等效于IP Core，共有90多个。Xilinx模块库简要说明如表1-1所列。

表1-1 System Generator库的简要说明

1．基本单元模块 (Basic Elements)

基本单元模块库中包含了数字逻辑的标准组件模块，使用这些模块可插入时间延迟、改变信号速率、引入常数、计数器以及多路复用器等。此外，还包含了3个特殊的模块System Generator标志、黑盒子模块（Black Box）以及边界定义模块，后文将对其进行详细说明。该库中简要的模块说明如表1-2所列。

表1-2 基本单元模块的说明列表

2．通信模块 (communication )

通信应用是FPGA的主要应用领域之一，因此Xilinx的通信模块库提供了用于实现数字通信的各种函数，包括卷积编解码、RS编解码以及交织器等模块。该库中简要的模块说明如表1-3所列。

表1-3 通信模块的说明列表

3．控制逻辑模块 (Control Logic)

控制逻辑主要包括了用于创建各种控制逻辑和状态机的资源，包括了逻辑表达式模块、软核控制器、复用器以及存储器，其简要说明如表1-4所列。

表1-4 控制逻辑模块的说明列表

4．数据类型模块 (Data Types)

数据类型模块主要用于信号的数据类型转换，包括移位、量化、并/串、串/并转换以及精度调整模块，其简要说明如表1-5所列。

表1-5 数据类型模块的说明列表

5．DSP模块

DSP模块是System Generator的核心，该库包含了所有常用的DSP模块，其简要说明如表1-6所列。

表1-6 DSP模块的说明列表

6．数学运算模块 (Math)

数学运算是任何程序所不可避免的，Xilinx提供了丰富的数学运算库，包括基本四则运算、三角运算以及矩阵运算等，其简要说明如表1-7所列。

表1-7 数学运算模块的说明列表

7．存储器模块 (Memory)

该库包含了所有Xilinx存储器的Logic Core，其简要说明如表1-8所列。

表1-8 存储器模块的说明列表

8．共享储存器模块
without it
共享存储器模块主要用于共享存储器操作。

表1-9 共享存储器模块的说明列表

9．工具模块 (Tools)

工具模块包含了FPGA设计流程中常用的ModelSim、ChipScope、资源评估等模块以及算法设计阶段的滤波器设计等模块。该库的模块在设计中起辅助作用，都是设计工具，一般不能生成HDL设计，其简要说明如表1-10所列。

表1-10 工具模块的说明列表

(二)．FPGA边界定义模块

System Generator是FPGA实现和算法开发之间桥梁，通过两个标准模块“Gateway In”和“Gateway Out”来定义Simulink仿真模型中FPGA的边界。“Gateway In”模块标志着FPGA边界的开始，能够将输入的浮点转换成定点数。“Gateway Out”模块标志着FPGA边界的结束，将芯片的输出数据转换成双精度数。在Simulink环境中双击这两个模块会弹出配置对话框，可以设定不同的转换规则，如图1-1所示。

图1-1 转换模块示意图

3．System Generator标志

每个System Generator应用框图都必须至少包含一个System Generator标志，如图1-2所示，否则会提示错误。标志模块用来驱动整个FPGA实现过程，不与任何模块相连。双击标志模块，可以打开属性编辑框，能够设置目标网表、器件型号、目标性能以及系统时钟频率等指标。

图1-2 System Generator标志模块示意图

4．建立简易的DSP设计

一旦定义了FPGA边界就可以通过Xilinx DSP模块集合来建立各种DSP设计，包括滤波器、存储器、算术运算器、逻辑和比特操作器等丰富资源，每个模块都有详细的工作频率和比特宽度定义。标准的Simulink模块不能在“Gateway In”和“Gateway Out”之间使用，但常用来产生测试数据以及对FPGA的输出数据进行处理和分析。下面给出一个简单的FPGA系统设计实例。

例1-1 使用System Generator建立一个3输入（a、b、c）的DSP48 模块的计算电路，使得输出p=c+a*b，并利用标准的Simulink模块对延迟电路进行功能验证。

1）打开Simulink库浏览器并建立一个新的Simulink模型，并保存为mydsp.mdl。

2）在浏览器中选择Xilinx DSP48 Macro 3.0 模块，并将其拖拽到my_DSP.mdl；按照同样的方法添加边界定义模块以及System Generator标志模块。

3）为了测试DSP计算电路，添加Simulink标准库中的常数模块（Constant）和显示器（Display）模块。其中常数模块用于向DSP计算电路灌数据，作为测试激励；显示器则用于观测输出数据。

4）连接模块，将所有的独立模块连成一个整体。其中Xilinx模块之间的端口可以直接相互连接，直接从一个端口拖拽鼠标到另一个端口来完成，或选中目标模块，按住Ctrl键，再点击要连接的模块，Simulink即可自动将两个模块连接起来；而Xilinx模块和非Xilinx模块之间的连接则需要边界模块（Gateway）来衔接。经过连接的设计如图1-3所示。

图1-3 延迟模块以及测试平台的组成架构

5）设定系统参数。双击“System Generator”模块，会出现系统设定对话框，如图1-4所示。其中“Compilation”栏选择编译生成对象，包括HDL网表、FPGA配置比特流、NGC网表、EDK导出工具、硬件协仿真类型以及时序分析文件等6种类型，本例选择HDL网表类型，会生成ISE工程以及相应的HDL代码；“Part”栏用于选择芯片型号，本例选择Zynq 7020。“Target”栏用于选择目标文件存放路径，本例使用默认值，则会在mydelay.mdl所在文件夹中自动生成一个netlist的文件夹，用于存放相应的输出文件。综合工具选择XST，HDL语言选择Verilog类型，系统时钟设的周期为100ns，即为10MHz。 “Clock Pin Location”栏的文本框中输入系统时钟输入管脚，则会自动生成管脚约束文件（由于本例只是演示版，所以该项空闲）。此外，可选中“Create testbench”选项，自动生成设计的测试代码。各项参数确认无误后，单击“OK”键，保存参数。

 

1-4 系统参数设定对话框

6）设置关键模块参数。双击“Gataway In”、“Gataway Out”模块，会弹出图1-5和图 1-6所示的对话框。Gataway In模块属性可查看输入数据位宽和量化规则。

 

图1-5 Gataway In模块属性对话框/图1-6Gataway Out模块属性对话框

7）运行测试激励。当参数设置完成后，点击工具栏的“run ”按键，即可运行Simulink仿真，可以看到显示器输出为46，表明设计的功能是正确的。

8）生成HDL代码。单击 system Generator 窗口的“Generate”按键，System Generator可自动将设计转化成HDL代码。整个转化过程的起始和结束提示界面分别如图1-6和图 1-7所示。

图1-6 自动生成代码过程的起始提示标志/图1-7 自动生成代码过程的结束提示标志

读者可在相应的文件夹netlist 里的 sysgen 子目录中打开“my_dsp.v”文件，查看相应的代码，用户可将其作为子模块直接使用。

二、System Generator中的信号类型

System Generator是面向硬件设计的工具，因此数据类型只能是定点的，而Simulink中的基本数据类型是双精度浮点型，因此Xilinx模块和Simulink模块连接时需要通过边界模块来转换。“Gateway In”模块把浮点数转换成定点数，“Gateway Out”把定点数转换成浮点数。此外，对于Simulink中的连续时间信号，还必须经过“Gateway In”模块的采样转换才能使用。

System Generator中的数据类型命名规则是非常简易且便于记忆的形式，如Fix_8_6表示此端口为8比特有符号数，其中6比特为小数部分。如果是无符号数，则带有“Ufix”前缀。在System Generator中，可通过选择 “Format” 菜单中的“Port/Signal Display Port Data Types”命令，来显示所有端口的数据类型，形象显示整个系统的数据精度。

Xilinx模块基本上都是多形态的，即可根据输入端口的数据类型来确定输出数据类型，但在有些情况下需要扩展信号宽度来保证不丢失有效数据。此外，也允许设计人员自定义模块的输入、输出数据的量化效果以及饱和处理。在图8-14所示的“Gateway In”模块属性对话框中，“Output type”选择数据为布尔型、有符号数还是无符号数；“Number of bits”即为定点数的位宽；“Binary point”为小数部分的宽度；“Quantization”选择定点量化模式；“Overflow”用于设定饱和处理模式；“Sample period”用于对连续时间信号的采样。因此按照System Generator的数据形式命名规则，“Gateway In”模块的数据类型为Fix/Ufix_(Number of bits)_(Binary point )。

此外，还有DSP48 instruction，显示为“UFix_11_0”，是Xilinx针对数字信号处理的专用模块，用于实现乘加运算。

三、 自动代码生成

System Generator能够自动地将设计编译为低级的HDL描述，且编译方式多样，取决于System Generator标志中的设置。为了生成HDL代码，还需要生成一些辅助下载的文件工程文件、约束文件等，和用于验证的测试代码（HDL testbench）。

1．编译并仿真System Generator模块
前面已经提到要对一个System Generator的设计进行仿真或者将其转化成硬件，则设计中必须包含一个System Generator生成标志。也可以将多个生成标志分布于不同的层中（一层一个），在层状结构中，处于别的层下的称为从模块，不属于从模块的则为主模块。但是特定的参数（如系统时钟频率）只能在主模块中设置。

对于任一添加的模块，都可以在System Generator模块中指定其代码生成方式和仿真处理形式，要编译整个系统，在顶层模块中利用System Generator模块生成代码即可。

不同编译类型的设定将会产生不同的输出文件，可选的编译类型包括两个网表文件类型（HDL网表和NGC网表）、比特流文件类型、EDK导出工具类型以及时序分析类型等4类。

HDL网表类型是最常用的网表结构，其相应的输出结果包括HDL代码文件、EDIF文件和一些用于简化下载过程的辅助文件。设计结果可以直接被综合工具（如XST等）综合，也可以反馈到Xilinx物理设计工具（如ngdbuild、map、par和bitgen等）来产生配置FPGA的比特流文件。编译产生的文件类型如ISE中是一致的。NGC网表类型的编译结果和HDL网表类似，只是用NGC文件代替了HDL代码文件。

比特流文件类型的编译结果是直接能够配置FPGA的二进制比特流文件，并能直接在FPGA硬件平台上直接运行的。如果安装了硬件协仿真平台，可以通过选择“Hardware Co-simulation > XtremeDSP Development Kit > PCI and USB”，生成适合XtremeDSP开发板的二进制比特流文件。

EDK导出工具类型的编译结果是可以生成直接导入Xilinx嵌入式开发工具（EDK）的工程文件以及不同类型的硬件协仿真文件。

时序分析类型的编译结果是该设计的时序分析报告。

2．编译约束文件
在编译一个设计时，System Generator会根据用户的配置产生相应的约束文件，通知下载配置工具如何处理设计输入，不仅可以完成更高质量的实现，还能够节省时间。

约束文件可控的指标包括：

系统时钟的周期；

系统工作速度，和系统时钟有关、设计的各个模块必须运行的速度；

管脚分配；

各个外部管脚以及内部端口的工作速度。

约束文件的格式取决于System Generator模块的综合工具：对于XST，其文件为XCF格式；对于Synplify/Synplify Pro，则使用NCF文件格式。

系统时钟在System Generator标志中设定，编译时将其写入约束文件，在实现时将其作为头等目标。在实际设计中，常常包含速度不同的多条路径，其中速度最高的采用系统时钟约束，其余路径的驱动时钟只能通过系统时钟的整数倍分频得到。当把设计转成硬件实现时，“Gateway In”和“Gateway Out”模块就变成了输入、输出端口，其管脚分配和接口数据速率必须在其参数对话框中设定，编译时会将其写入I/O时序约束文件中。

3．HDL测试代码

通常System Generator设计的比特宽度和工作频率都是确定的，因此Simulink仿真结果也要在硬件上精确匹配，需要将HDL仿真结果和Simulink仿真结果进行比较，才能确认HDL代码的正确性。特别当其包含黑盒子模块时，这样的验证显得格外重要。System Generator提供了自动生成测试代码的功能，并能给出HDL代码仿真正确与否的指示。

假设设计的名字是，双击顶层模块的System Generator标志，将Compilation选项设为HDL Netlist，选中Create Testbench选项，然后点击Generate选项，不仅可以生成常用的设计文件，还有下面的测试文件：

_tb.vhd/.v文件，包含完整的HDL测试代码；

Various.dat文件，包含了测试代码仿真时的测试激励向量和期望向量；

脚本Scripts vcom.do和vsim.do文件，用于在Modelsim中完成测试代码的编译和仿真，并将其结果和自动编译产生的HDL测试向量进行比较。

Various.dat文件是System Generator将通过“Gataway In/Out”模块的数据保存下来而形成的，其中经过输入模块的数据是测试激励，而通过输出模块的数据就是期望结果。测试代码只是简单的封装器，将测试激励送进生成的HDL代码，然后对输出结果和期望结果完成比较，给出正确指示。

四、 编译MATLAB设计生成FPGA代码

Xilinx公司提供了两种方法将MATLAB设计.m文件转化为HDL设计，一种就是利用AccelDSP综合器；另一种就是直接利用MCode模块。前者多应用于复杂或高速设计中，常用来完成高层次的IP核开发；而后者使用方便，支持MATLAB语言的有限子集，对实现算术运算、有限状态机和逻辑控制是非常有用的。本节内容以介绍MCode模块为主。

MCode模块实现的是装载在里面的.m函数的功能。此外，还能够使用Xilinx的定点类型数对.m函数进行评估。该模块使用回归状态变量以保证内部状态稳定不变，其输入、输出端口都由.m函数确定。

要使用MCode模块，必须实现编写.m函数，且代码文件必须和System Generator模型文件放在同一个文件夹中，或者处于MATLAB路径上的文件夹中。下面用两个实例来说明如何使用MCode模块。

例1-1 使用MATLAB编写一个简单的移位寄存器完成对输入数据乘8以及除以4的操作，并使用MCode将其编译成System Generator直接可用的定点模块。

.m 函数的生成是比较简单的，我们只需要 new function ，然后将相应的函数代码输入，并且保存即可。

1．相关的.m函数代码为：
function [lsh3, rsh2] = xlsimpleshift(din)
% [lsh3, rsh2] = xlsimpleshift(din) does a left shift 3 bits and a
% right shift 2 bits. The shift operation is accomplished by
% multiplication and division of power of two constant.
lsh3 = din * 8;
rsh2 = din / 4;

2．将.m函数添加到下列三个位置之一：

模型文件存放的位置；

模型目录下名字为private的子文件夹；

MATLAB路径下。

然后，新建一个System Generator设计，添加MCode模块，双击模块，在弹出页面中，通过Browse按键将.m函数和模型设计关联起来，如图1-8所示。 当我们想修改MCode 代码时候，我们只需要双击该模块，然后弹出属性窗口，选择 Edit M-File 即可。

 

图1-8 MCode模块关联界面示意图

3．添加边界模块、Sytem Generator模块、正弦波测试激励以及示波器模块构成完整的设计，如图1-9所示。

图1-9 简单移位模块设计示意图

4．运行仿真，得到的结果如图1-10所示，从中可以看出，设计是正确的，正确实现了.m文件的功能。左图将信号放大了8倍，右图将信号缩小了4倍。

 

图1-10 简单移位模块仿真结果示意图

5．自动生成代码，得到的Verilog文件如下所列。

module myshift (
din,
dout1,
dout2
);

input [15:0] din;
output [15:0] dout1;
output [15:0] dout2;

wire [15:0] din_net;
wire [15:0] dout1_net;
wire [15:0] dout2_net;

assign din_net = din;
assign dout1 = dout1_net;
assign dout2 = dout2_net;

mcode_6b96190926 mcode (
.e(1'b0),
.lk(1'b0),
.lr(1'b0),
.in(din_net),
.sh3(dout1_net),
.sh2(dout2_net)
);
endmodule

五、子系统的建立和使用

System Generator设计经常作为大型HDL设计的一部分，本节就介绍如何使用System Generator来建立子系统模块，以及如何在整个系统中对其进行仿真。

1．子系统的建立以及仿真方法

子系统就是HDL语言中的模块，也类似于C++语言中的函数，是有效执行自顶向下设计的必备手段。如果将一个复杂设计完全在一个单独设计中实现，则该设计的验证和复查工作将是设计人员的噩梦。此外，从设计复用的角度讲，子系统可以IP核的方式为多个设计使用，具有高的可重用性，能节省大系统的开发时间。

建立子系统最简单的方法就是利用NGC二进制网表文件，将System Generator设计封装成一个单独的二进制模块，这样综合工具将其作为黑盒子看待。在建立子系统时，管脚约束不能在Gataway模块中定义，同样时钟管脚也不能在System Generator模块中定义，应通过网表编辑器来指定物理约束，这是因为NGC网表中不仅包括了逻辑设计，还包括了设计的约束信息。在复杂系统中建立子系统的设计流程如下所示：

图1-11 建立子系统的设计流程

1）NGC网表文件
如图1-11所示，生成NGC网表是建立子系统的第一步。在System Generator标志中将编译生成文件类型选为NGC List，如图1-12所示。如果设计中有时钟驱动电路，点击Generate后，会在目标文件夹生成“_cw.ngc”文件，否则会生成“.ngc”文件，其中就是设计的名字。NGC网表文件包括设计中所有的逻辑和约束信息，这意味着将System Generator生成的所有HDL文件、内核以及约束等文件封装成一个单独的文件。

图7-22 选择编译生成文件类型

2）设计规则
在复杂系统中使用子模块时，必须遵循下面两条规则。

首先，不能在子模块设计文件中出现“Gateway In”、“Gateway Out”以及System Generator标志模块，否则NGDBuild工具会产生下面的警告：

WARNING: NgdBuild:483 - Attribute "LOC" on "clk" is on the wrong type of
object. Please see the Constraints Guide for more information on this
attribute.

其次，不能在综合的时候往NGC网表文件中插入I/O缓存器，否则会报错。I/O缓存器只能在顶层模块中使用。

3）逻辑综合

当使用子系统的NGC网表文件综合时，其流程如图1-13所示。NGC模块可在顶层模块中以黑盒子的方式直接例化。为了简化该过程，当通过NGC目标编译后，System Generator提供了HDL例化模板，保存在设计路径，且以“_cw.veo”命名。当选择VHDL语言时，则其模板名为“_cw.vho”。

图1-13 综合时的流程图

4）仿真

把System Generator模型编译成NGC目标后，生成的HDL文件却只能完成HDL仿真，不能在ISE中综合。由于HDL文件不能包含在工程中，如果要在HDL仿真器中运行整个设计，就必须指定用户.do文件。除了HDL文件之外，还需要将内存初始化文件（.mif）和系数文件（.coe）和HDL文件放在同一文件夹中。

2．可配置子系统的建立

可配置子系统是一类可以作为标准元件使用的Simulink模块，但又和标准元件模块不同，其存在多种可选功能，每一种功能都可以实现，可以让用户灵活选择。以可配置FIR滤波器为例，实现快速滤波器需要很多资源，而许多低速的滤波器却只需要相对很少的资源，将其做成可配置的模块，就可以允许用户根据实际情况在速度和硬件代价之间做出最优平衡。这体现了可配置子模块最大的优势。

1）定义一个可配置子模块

可通过新建Simulink库来定义可配置子系统，且可选模块的实现也由库来管理。下面给出新建建库的具体步骤：

（1）新建一个空白库，如图1-14所示。

图1-14 新建空白库

（2）在库里添加基本实例模块，如图1-15所示。基本实例模块可以是System Generator中的任意组件。

图1-15 添加基本实例模块

（3）在库里面添加可配置子系统模版，如图1-16所示。模版可以在Simulink库浏览器中找到，其具体位置为“Simulink/Ports & Subsystems/Configurable Subsystem”。如果有需要，用户可以修改该模版的名字。

图1-16 添加可配置子系统模块

（4）保存库文件，然后双击模版模块，会弹出如图1-17所示的属性配置界面。根据实现的需要选中相关模块的检验框。最后单击“OK”再次保存库文件。

图1-17 属性配置界面

2）使用可配置子系统
要在设计中使用可配置子系统，先按照上面的步骤定义子系统，然后打开库，将需要的模版模块拖到设计中合适的位置，这样设计中就有了可配置子系统的实例，如图1-18所示的FIR滤波器模块。

 

图1-18 可配置子系统实例

在实例模块上点击右键，然后选择Block Choice选项中的Xilinx DA FIR，将实例作为基础实现模块使用。如图1-19所示。

图1-19 将实例作为基础实现模块

3）在可配置子模块中添加和删除实例模块
添加和删除子系统是编辑、修改可配置子系统的基本操作，按照下面的步骤可以从可配置子系统中删除实例模块：

（1）打开并解锁子系统的库；双击模版模块，然后在弹出的用户界面中取消相应模块检验框的选定，单击“OK”就可以删除掉相应的子模块，如图1-20所示；再保存库，重新编译即可；最后仍需要在设计更新子系统。
对于添加实例模块的步骤如下：首先，打开并解锁子系统的库；然后将实例模块拖到子系统设计中，双击模版模块；在弹出的用户界面中选中所需模块检验框，单击“OK”即可，如图1-21所示；再保存库，重新编译；在已有的设计中更新子系统。

图1-20 删除子模块/图1-21 添加子系统

（2）生成可配置子模块的硬件电路
在System Generator中，模块可用于仿真和产生硬件。有时对于一个可配置子系统，最佳的方式是其既可以成为仿真基础模块，也可以用来生成硬件电路。例如将可配置子系统在仿真时作为普通的模块来产生仿真结果，在实现时作为黑盒子产生功能电路的HDL代码，就是一种常用方式。System Generator提供了可配置子系统管理模块来达到上述目的，其使用方法如下：

首先，打开、解锁可配置子系统的库文件（除了模版模块），然后双击该模块；

其次，将可配置子系统管理模块拖到打开的库中，该管理模块可以在“Xilinx Blockset/Tools/ Configurable Subsystem Manager”路径中找到，如图1-22所示。

图1-22 可配置子系统管理模块

最后，双击管理模块打开其属性配置GUI，选择可配置子系统中生成硬件电路的模块，如图1-23所示。单击“OK”保存子系统和库文件退出即可。

图1-23 选择可配置子系统的硬件模块