基于FPGA設計的sysGen算法系統(tǒng)設計

一、前言

利用FPGA設計算法一直以來都是熱點，同樣也是難點。將復雜的數(shù)學公式 模型通過硬件系統(tǒng)來搭建，在低延時 高并行性等優(yōu)勢背后極大提高了設計難度和開發(fā)周期。Xilinx公司的sysGen（system generator）工具擴展了MATLAB的simulink，提供很多IP Catalog中沒有的基礎模塊和針對DSP應用的硬件模型。工程師利用豐富的模塊和MATLAB強大的數(shù)據(jù)處理及可視化能力能夠更快速完成設計與仿真驗證工作。

二、sysGen算法系統(tǒng)設計

本文以個最簡單的例子講述利用sysGen搭建算法IP核，并集成到IP Integrator中作為ZYNQ PS端CPU的“定制外設”。僅用于測試目的。設計需求：在sysGen中搭建系統(tǒng)，將輸入定點整數(shù)數(shù)據(jù)*2后輸出，輸入位寬為8bit。

在System Generator token中設定仿真步長為1sec。點擊需要觀測的信號連線，右擊選擇Xilinx add to viewer。啟動仿真并啟動Xilinx waveform viewer：

本質(zhì)上就是調(diào)用Vivado的XSim工具進行行為仿真。仿真結果可見完成預期目標，現(xiàn)雙擊System Generator token ，選擇Compiliation類型為IP Catalog并勾選Create testbench，按下Generate生成IP核。

三、仿真測試

根據(jù)User Guide介紹sysGen是“周期和比特精準的”，我們還是在Vivado環(huán)境下再次驗證下。netlist文件夾內(nèi)子文件夾ip_catalog中為IP核示例工程，由于自動生成了testbench，打開后直接進行行為仿真。sysGen在創(chuàng)建testbench時會將經(jīng)過gatein和gateout的數(shù)據(jù)儲存到文件中，testbench進行的工作為：將gatein數(shù)據(jù)作為測試激勵送入到相應設計輸入端口，之后把設計輸出得到結果與gateout文件數(shù)據(jù)進行逐一比較從而驗證設計是否與sysGen環(huán)境下仿真結果一致。

發(fā)現(xiàn)個比較有意思的現(xiàn)象，自動生成的testbench中clock生成并約束的50MHz，而是認為進行了拓展。

仿真波形如圖：

將clock處改動為50MHz后，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)如果系統(tǒng)一開始就輸入數(shù)據(jù)，前幾個數(shù)據(jù)沒有被真正處理，輸出錯誤?？赡苁擒浖﨎UG吧，不過這種情況也非常少見，實際系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)大多情況會啟動一段時間后才輸入。這里等待100ns后再啟動clock翻轉(zhuǎn)：

改動后仿真波形：

四、AXI-Stream總線形式IP

到此算法IP的設計與驗證結束。如果想將這個IP核導入到IP Integrator中作為CPU的外設，其接口必須滿足AXI總線標準，因此回到sysGen中更改端口名稱和位寬。端口要符合AXI-Stream標準信號名稱，位寬為8bit整數(shù)倍。

生成IP核后，打開新的工程，導入該IP核到repository。

五、Block Design系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)結構與上一篇該系列博文類似，均是以AXI DMA為核心的Loop系統(tǒng)，只是將AXI-Stream Data FIFO改成了自定義IP核。由于IP核slave和master接口只包含tdata和tvalid信號，因此需要添加接口銜接的一些簡單邏輯。tready信號和tkeep信號直接連接constant使用常數(shù)驅(qū)動，DMA的s_axis_s2mm接口的tlast由wrapper內(nèi)計數(shù)器邏輯驅(qū)動，將system中FCLK_CLK0 peripheral_aresetn m_axis_tvalid和s_axis_s2mm_tlast信號引出到wrapper中。

有一點比較坑：自定義IP通過AXI總線與DMA互聯(lián)時，總線下相應的接口不一定會正確對應，所以需要分別將兩端的每個接口相連?？梢酝ㄟ^打開綜合后的設計來確認連線無誤。

自動生成wrapper后改動添加代碼如下：
`timescale 1 ps / 1 ps

module user_wrapper
(DC,
DDR_addr,
DDR_ba,
DDR_cas_n,
DDR_ck_n,
DDR_ck_p,
DDR_cke,
DDR_cs_n,
DDR_dm,
DDR_dq,
DDR_dqs_n,
DDR_dqs_p,
DDR_odt,
DDR_ras_n,
DDR_reset_n,
DDR_we_n,
//FCLK_CLK0,
FIXED_IO_ddr_vrn,
FIXED_IO_ddr_vrp,
FIXED_IO_mio,
FIXED_IO_ps_clk,
FIXED_IO_ps_porb,
FIXED_IO_ps_srstb,
RES,
SCLK,
SDIN,
VBAT,
VDD
//m_axis_tvalid,
//peripheral_aresetn,
//s_axis_s2mm_tlast
);
output DC;
inout [14:0]DDR_addr;
inout [2:0]DDR_ba;
inout DDR_cas_n;
inout DDR_ck_n;
inout DDR_ck_p;
inout DDR_cke;
inout DDR_cs_n;
inout [3:0]DDR_dm;
inout [31:0]DDR_dq;
inout [3:0]DDR_dqs_n;
inout [3:0]DDR_dqs_p;
inout DDR_odt;
inout DDR_ras_n;
inout DDR_reset_n;
inout DDR_we_n;
//output FCLK_CLK0;
inout FIXED_IO_ddr_vrn;
inout FIXED_IO_ddr_vrp;
inout [53:0]FIXED_IO_mio;
inout FIXED_IO_ps_clk;
inout FIXED_IO_ps_porb;
inout FIXED_IO_ps_srstb;
output RES;
output SCLK;
output SDIN;
output VBAT;
output VDD;
//output [0:0]m_axis_tvalid;
//output [0:0]peripheral_aresetn;
//input s_axis_s2mm_tlast;

localparam DATA_NUM = 256;

wire DC;
wire [14:0]DDR_addr;
wire [2:0]DDR_ba;
wire DDR_cas_n;
wire DDR_ck_n;
wire DDR_ck_p;
wire DDR_cke;
wire DDR_cs_n;
wire [3:0]DDR_dm;
wire [31:0]DDR_dq;
wire [3:0]DDR_dqs_n;
wire [3:0]DDR_dqs_p;
wire DDR_odt;
wire DDR_ras_n;
wire DDR_reset_n;
wire DDR_we_n;
wire FCLK_CLK0;
wire FIXED_IO_ddr_vrn;
wire FIXED_IO_ddr_vrp;
wire [53:0]FIXED_IO_mio;
wire FIXED_IO_ps_clk;
wire FIXED_IO_ps_porb;
wire FIXED_IO_ps_srstb;
wire RES;
wire SCLK;
wire SDIN;
wire VBAT;
wire VDD;
wire [0:0]m_axis_tvalid;
wire [0:0]peripheral_aresetn;
wire s_axis_s2mm_tlast;

reg [8-1:0] cnt;
wire add_cnt;
wire end_cnt;

system system_i
(.DC(DC),
.DDR_addr(DDR_addr),
.DDR_ba(DDR_ba),
.DDR_cas_n(DDR_cas_n),
.DDR_ck_n(DDR_ck_n),
.DDR_ck_p(DDR_ck_p),
.DDR_cke(DDR_cke),
.DDR_cs_n(DDR_cs_n),
.DDR_dm(DDR_dm),
.DDR_dq(DDR_dq),
.DDR_dqs_n(DDR_dqs_n),
.DDR_dqs_p(DDR_dqs_p),
.DDR_odt(DDR_odt),
.DDR_ras_n(DDR_ras_n),
.DDR_reset_n(DDR_reset_n),
.DDR_we_n(DDR_we_n),
.FCLK_CLK0(FCLK_CLK0),
.FIXED_IO_ddr_vrn(FIXED_IO_ddr_vrn),
.FIXED_IO_ddr_vrp(FIXED_IO_ddr_vrp),
.FIXED_IO_mio(FIXED_IO_mio),
.FIXED_IO_ps_clk(FIXED_IO_ps_clk),
.FIXED_IO_ps_porb(FIXED_IO_ps_porb),
.FIXED_IO_ps_srstb(FIXED_IO_ps_srstb),
.RES(RES),
.SCLK(SCLK),
.SDIN(SDIN),
.VBAT(VBAT),
.VDD(VDD),
.m_axis_tvalid(m_axis_tvalid),
.peripheral_aresetn(peripheral_aresetn),
.s_axis_s2mm_tlast(s_axis_s2mm_tlast));

always @(posedge FCLK_CLK0)begin
if(!peripheral_aresetn)begin
cnt end
else if(add_cnt)begin
if(end_cnt)
cnt else
cnt end
end

assign add_cnt = m_axis_tvalid;
assign end_cnt = add_cnt && cnt== DATA_NUM-1;

assign s_axis_s2mm_tlast = end_cnt;

endmodule

user_wrapper

當自定義IP核輸出256個數(shù)據(jù)時，拉高tlast信號結束傳輸。打開綜合后的設計，添加調(diào)試探針，抓取DMA與自定義IP之間的接口信號，set up debug后完成接下來的流程。

六、軟硬件聯(lián)調(diào)

在硬件系統(tǒng)中定義數(shù)據(jù)幀長度為256個，數(shù)據(jù)位寬為16bit，因此C代碼中DMA啟動傳輸函數(shù)中數(shù)據(jù)長度參數(shù)為512byte。測試數(shù)據(jù)生成與檢測代碼非常簡單：

我們直接查看ILA抓取AXI S總線波形：

傳輸完成后進入DMA發(fā)送和接收中斷，軟件檢測結果正確。在Memory窗口能夠直接查看內(nèi)存絕對地址里的數(shù)據(jù)，選定DDR接收緩存區(qū)起始地址，其中的數(shù)據(jù)與AXI總線傳回數(shù)據(jù)一致，證明系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成功。之后任意算法模塊均可采用本文方式進行設計和集成，可以說一勞永逸！

編輯：hfy