利用FPGA設(shè)計(jì)軟件開放性性能優(yōu)化MAX+PLUS II仿真軟件性能

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，電子工程師在設(shè)計(jì)中越來越多地采用FPGA來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字功能，不僅僅是簡單的時(shí)序邏輯，更多的是諸如數(shù)字濾波器、信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)等。這樣我們就必須要對FPGA設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的性能分析，而不僅僅是時(shí)序的驗(yàn)證，這就對FPGA設(shè)計(jì)軟件的仿真功能提出了更高的要求。而現(xiàn)有的一些流行的FPGA設(shè)計(jì)工具并不能滿足這一要求。

MAX+PLUS II是ALTERA公司為自己的系列EPLD、FPGA提供的功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)及仿真軟件。在該軟件中，提供了從多種方法輸入、編譯一直到仿真的一系列配套功能，對于那些不是很復(fù)雜的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)來說，可以在一個(gè)軟件內(nèi)方便地完成所有的設(shè)計(jì)及仿真工作。而對于那些復(fù)雜的設(shè)計(jì)則顯得力不從心了。

舉一個(gè)例子：對一個(gè)基于FPGA設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)，我們關(guān)心其在給定發(fā)現(xiàn)概率和虛警率的前提下的最小可檢測信噪比，或者在某一給定信噪比條件下其Pd、Pf是否能滿足要求。雖然在設(shè)計(jì)之前肯定已經(jīng)做了諸如可行性分析、性能分析等一系列的工作，但是由于數(shù)字實(shí)現(xiàn)必須考慮的一些問題，如字長效應(yīng)、算法簡化等，有可能使具體實(shí)現(xiàn)的性能比之理論分析有所下降，這個(gè)下降到底有多大？另外，采用的信號(hào)處理算法還有哪些沒有發(fā)現(xiàn)的缺陷？對設(shè)計(jì)者來說，能夠完全在軟件環(huán)境中通過仿真來解決這些問題遠(yuǎn)比在不成熟的硬件環(huán)境中反復(fù)地調(diào)試、修改來的有效率，且有更大的彈性，更容易進(jìn)行。

然而，當(dāng)我們想通過MAX+PLUSII軟件自帶的仿真工具對復(fù)雜設(shè)計(jì)的性能作一個(gè)評估時(shí)，就會(huì)碰到許多困難。一般來說簡單仿真的步驟如圖1所示。其中，手工設(shè)置仿真輸入節(jié)點(diǎn)值只適用于輸入信號(hào)比較簡單的情況，而對于復(fù)雜的輸入信號(hào)就無能為力了。如上述雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的輸入信號(hào)，應(yīng)該是許多個(gè)周期的雷達(dá)同步信號(hào)、雷達(dá)回波信號(hào)加上取決于接收信道的帶限噪聲構(gòu)成的（后兩者應(yīng)有給定的信噪比關(guān)系）。這類輸入信號(hào)不僅必須經(jīng)嚴(yán)格計(jì)算得到，而且數(shù)量巨大，很難由手工輸入。

另外，一般我們對仿真結(jié)果的分析也僅限于直接觀察，只能對相對較簡單的結(jié)果作出判斷。而雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)則必須做蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)（海量實(shí)驗(yàn)）來統(tǒng)計(jì)其性能（如統(tǒng)計(jì)給定信噪比下的Pd、Pf），或?qū)μ幚斫Y(jié)果進(jìn)行各種分析（如時(shí)頻分析）來判斷處理器是否最佳等。這樣，對仿真結(jié)果的分析也不能簡單地判斷，必須經(jīng)專門的數(shù)學(xué)計(jì)算才能給出結(jié)論。

由此看來，MAX+PLUSII的仿真功能已經(jīng)不能滿足對復(fù)雜設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真的要求，我們必須另找方法。當(dāng)然，如果有像COSSAP這樣的軟件的話，就不存在上述問題了。但對于大多數(shù)設(shè)計(jì)者來說，他們一般很難有機(jī)會(huì)接觸到這些工作站上的大型軟件，更普及的是像MAX+PLUS II、MATLAB這樣的通用工具軟件。

我們知道，MATLAB是MathWorks公司推出的一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)（語言）軟件，它集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等于一體，具有極高的編程效率。它可以極方便地產(chǎn)生各種信號(hào)，進(jìn)行各種變換、統(tǒng)計(jì)，另外它的繪圖功能也極為強(qiáng)大。它的這些特點(diǎn)正好可以彌補(bǔ)MAX+PLUSII在仿真功能上的缺陷。因此，本人在這里介紹一種利用MATLAB來產(chǎn)生復(fù)雜的仿真輸入信號(hào)，并對仿真輸出信號(hào)進(jìn)行分析的方法。

1 聯(lián)合仿真方法介紹

1.1 聯(lián)合仿真流程

我們先介紹MATLAB與MAX+PLUSII聯(lián)合仿真的流程，以使大家心中有一個(gè)概念。然后再分別介紹各部分的實(shí)現(xiàn)。聯(lián)合仿真流程為：

（1）先在MATLAB中產(chǎn)生原始信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為2/16進(jìn)制序列；

（2）利用自己編寫的MATLAB函數(shù)按一定格式生成向量文件（*.vec，純文本文件）；

（3）在MAX+PLUS II中，打開你要仿真的FPGA源文件，設(shè)置為“當(dāng)前工程”并作編譯；

（4）打開simulator，選“FileInputs/Outputs”，輸入在MATLAB中生成的向量文件名，按：“確定”按鈕生成*.scf文件；

（5）進(jìn)行仿真；

（6）選菜單“FileCreate Table Files”，生成相應(yīng)的*.tbl文件（純文本文件）；

（7）回到MATLAB下，運(yùn)行自己編寫的函數(shù)，自動(dòng)從Table文件提取需要的輸出數(shù)據(jù)、進(jìn)制轉(zhuǎn)換（變?yōu)槭M(jìn)制），生成仿真結(jié)果序列；

（8）對結(jié)果序列進(jìn)行進(jìn)一步分析、處理。

1.2 仿真輸入文件

在MAX+PLUS II的仿真輸入文件中有一種文本形式的向量文件（VectorFile），其后綴名為“*.vec。這種文件是用一定格式的文本來描述仿真信號(hào)的。我們可以很方便地使用任何純文本編輯器來書寫文件，定義仿真時(shí)間長度，以相對/絕對時(shí)間單位來定義周期重復(fù)的輸入信號(hào)（如時(shí)鐘）和其它復(fù)雜輸入信號(hào)。下面給出一個(gè)該文件的簡單例子：

%時(shí)間單位缺省為以%

START 0； %定義仿真開始、結(jié)束時(shí)間%

STOP1000；

INTERVAL 100； %定義時(shí)間步長：100ns%

INPUTS CLOCK；

PATTERN

01； %相對向量值定義：CLOCK %

%每100ns翻轉(zhuǎn)一次%

INPUTS DATAINX DATAINY；

PATTERN %定義兩個(gè)輸入信號(hào)%

%DATAINX和DATAINY%

0＞ 00

220＞ 10

320＞ 11 %絕對時(shí)間描述%

570＞ 01 %大于號(hào)前為絕對時(shí)間值%

720＞ 11 %大于號(hào)后為兩個(gè)輸入值%

；

INPUTS CLEAR；

PATTERN

0＞ 1 %產(chǎn)生寬度100ns的清零信號(hào)%

100＞ 0 %100ns后CLEAR信號(hào)保持高電平%

在這個(gè)例子中，定義了一個(gè)周期為200ns的時(shí)鐘信號(hào)、一個(gè)100ns以前起作用的清零信號(hào)（高電平有效）以及兩個(gè)輸入信號(hào)DATAINX、DATAINY。在實(shí)際使用時(shí)，我們可以用同樣的方法方便地產(chǎn)生時(shí)鐘、復(fù)位等常用信號(hào)。而對于復(fù)雜的輸入信號(hào)，可以先用MATLAB來產(chǎn)生，然后以相對時(shí)間的方式寫入向量文件。

在產(chǎn)生復(fù)雜輸入信號(hào)之前，必須注意以下幾點(diǎn)：

第一，MATLAB產(chǎn)生的是浮點(diǎn)或整數(shù)信號(hào)，而數(shù)字模塊的輸入為N位二進(jìn)制數(shù)，這之間有一個(gè)進(jìn)制轉(zhuǎn)換的問題。因此，我們先要根據(jù)要采用的A/D位數(shù)對原始信號(hào)進(jìn)行量化。

第二，在MAX+PLUS II的仿真器中，數(shù)據(jù)可以采用2/8/10/16進(jìn)制顯示格式，但其十進(jìn)制顯示用的是無符號(hào)數(shù)的方式，在表示那些補(bǔ)碼形式的2/8/16進(jìn)制數(shù)時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，因此必須把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為2/16進(jìn)制數(shù)。

第三，進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序必須自己編制。因?yàn)镸ATLAB是用字符串來表示2/8/16進(jìn)制數(shù)的，雖然有一些進(jìn)制變換的函數(shù)（如HEX2DEC、DEC2HEX等），但尚不能滿足需要，必須在此基礎(chǔ)上自己編制新的函數(shù)。

1.3 仿真輸出文件

向量文件產(chǎn)生后，就可以進(jìn)行仿真了，仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換成Table文件輸出。Table 文件示例如下。

INPUTS clk reset din;

OUTPUTS y;

UNIT ns; %定義時(shí)間單位%

RADIX HEX； %定義顯示進(jìn)制%

PATTERN

% r %

% e %

% csd %

% lei %

% ktn y %

0.0＞X 0 0000＝0000

40.0＞X 1 0000＝0000

50.0＞0 1 0000＝0000

……

1475.0＞1 1 0000＝0000

1500.0＞X X XXXX＝XXXX

Table文件的構(gòu)成與向量文件大致相同。它的開始部分是注釋（同樣是以%…%標(biāo)注的文字），接著是對輸入/輸出信號(hào)、時(shí)間單位、顯示采用進(jìn)制的定義，第三部分就是對輸入/輸出信號(hào)在仿真后的列表。其中，“＞”號(hào)以前的是時(shí)間值，“＝”號(hào)后面則是我們關(guān)心的仿真輸出結(jié)果了。根據(jù)Table文件的這些特點(diǎn)，我們可以編制MATLAB函數(shù)將關(guān)心的東西（如時(shí)間值、某輸出結(jié)果）提取出來形成數(shù)據(jù)序列，以便后續(xù)處理。在這里要注意一個(gè)問題，就是Table文件中會(huì)對每一個(gè)信號(hào)的變化時(shí)刻都進(jìn)行記錄，我們用圖2的一個(gè)簡單的D觸發(fā)器的部分仿真時(shí)序來作說明，圖中示出了D觸發(fā)器的輸入信號(hào)D、時(shí)鐘，以及其輸出信號(hào)Q，在這一段仿真中，Table文件會(huì)記錄從T1～T9的9個(gè)信號(hào)變化的時(shí)刻，這使得輸出信號(hào)的每一個(gè)值被記錄了多次。如果我們對此不加甄別就照單全收的話，就會(huì)對此后的分析工作帶來麻煩。因此，對于同步數(shù)字系統(tǒng)，我們只應(yīng)提取那些我們關(guān)心的時(shí)鐘上沿/下沿時(shí)刻的輸出值。

2 應(yīng)用實(shí)例

本人在自己的設(shè)計(jì)工作中使用了以上介紹的這種方法。我設(shè)計(jì)的是一個(gè)單脈沖雷達(dá)回波信號(hào)處理機(jī)，基本原理是信號(hào)的能量積累后檢測，其中采用了較復(fù)雜的信號(hào)處理算法，在原理驗(yàn)證階段采用的是固定門限檢測。在用MAX+PLUSII設(shè)計(jì)完該信號(hào)處理機(jī)后，現(xiàn)實(shí)的問題就是要在給定Pd、Pf的條件下，根據(jù)具體的算法確定檢測門限。我們先在接收機(jī)上對接收機(jī)噪聲用示波器進(jìn)行了測量并存儲(chǔ)了大量數(shù)據(jù)，然后將測量結(jié)果讀入MATLAB，形成一維數(shù)組。然后按以上介紹的方法對噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行兩種處理：一是產(chǎn)生模擬回波信號(hào)（或采用真實(shí)回波信號(hào)采樣序列）、信號(hào)噪聲按一定信噪比混合、加上同步脈沖后形成多個(gè)周期的“有信號(hào)回波”，二是完全是噪聲的“無信號(hào)回波”；再結(jié)合其它必要的輸入信號(hào)（如時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)等）生成向量文件，在MAX+PLUSII中仿真后，分別提取仿真結(jié)果中的“有/無信號(hào)”的兩種能量積累結(jié)果進(jìn)行分析，初步確定檢測門限，并由此結(jié)合理論分析對其檢測性能進(jìn)行評估。

當(dāng)然，這種完全在軟件環(huán)境中進(jìn)行性能分析的方法并不是萬能的，它只能也只應(yīng)起到輔助的作用，我們采用它的目的是為了使我們的設(shè)計(jì)變得更經(jīng)濟(jì)、更省時(shí)、更可靠。畢竟，一個(gè)設(shè)計(jì)最終是要形成硬件，并在實(shí)際應(yīng)用中去真正檢驗(yàn)它的品質(zhì)的。

總之，由于FPGA方便靈活的特點(diǎn)，使得這種器件在數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。而作為一個(gè)設(shè)計(jì)者，必須利用FPGA設(shè)計(jì)軟件的開放性，充分利用其它各種手段來保證我們的設(shè)計(jì)的可靠性，提高設(shè)計(jì)的品質(zhì)。

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