MATLAB在FPGA开发中的技术与应用

MATLAB在FPGA开发中的 技术与应用 专题报告 徐 欣 博士 副教授 国 防 科 大 电 子 科 学 与 工 程 学 院 嵌 入 式 系 统 应 用 联 合 研 究 中 心 面向二十一世纪的嵌入式系统设计前沿技术 主要内容 „ 基于Matlab的信号处理算法FPGA实现综述 „ Simulink与Xilinx System Generator 在数据 采集预处理中的应用 „ Matlab 与Xilinx Accel DSP在数据分析中的 方法与应用 „ 信号处理算法的FPGA设计实现与调试技术 „ Matlab与FPGA设计技术 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 与应用展望 综述（一）为什么用FPGA来实现DSP算法 Reason 1: 复杂巨量的运算需求 1 GHz 256 clock cycles = 4 MSPS 500 MHz 1 clock cycle = 500 MSPS 综述（一）为什么用FPGA来实现DSP算法 Q = (A x B) + (C x D) + (E x F) + (G x H) can be implemented in parallel × × × × + + + + + + A B C D E F G H Q Reason 2: FPGA实现并行设计的灵活性 But is this the only way in the FPGA? × × × × + + + + + + × + + D Q × × + + + + D Q Parallel Semi-Parallel Serial FPGAs allow Area (cost) / Performance tradeoffs Optimized for?Speed Cost DDCDDC A/D A/D D/A D/A DSP ProcDDCDDC DUCDUC DUCDUC DUCDUC DUCDUC DDCDDC DDCDDC SDRAM AFE DSP Card Hundreds of Termination Resistors Po w er PC SDRAM SSTL3 TranslatorsQuad TRx Quad TRx ASSP Network Card SDRAM A/DA/D D/A D/A ASSP SDRAM ACIC MACs Serial RapidIO DUCs, DDCs, Logic PowerPC Reason 3: 通过高度集成降低DSP系统成本 DSP Proc ASIC 10 Gbps 综述（一）为什么用FPGA来实现DSP算法 C6416C6416100 MHz 100 kHz 100 kHz FPGA as pre-processor 500 MHz 500 MHz C6416C6416 FPGA as co-processor 综述（二）FPGA与DSP信号处理器的协同 „ Performance acceleration in the signal processing chain „ FPGAs also enable „ System logic muxing and consolidation „ New peripheral or bus interface implementation 综述（三）FPGA实现DSP算法的途径 „ 采用知识产权内核(IP Core)进行设计 „ 采用硬件描述语言(HDL)的传统设计方法 „ 通过工具把C语言、M语言（ AccelDSP ）和 Simulink 模型（System Generator）编译到 硬件中 （一）System Generator应用框架 Import HDL Modules (co-simulation) ModelSim MATLAB High-bandwidth, Hardware in the Loop (co-simulation) ISE Simulink DSP functions for MicroBlaze & PowerPC Picture of V4 LX board Chipscope Pro Debug at System Speed Simulink与Xilinx System Generator 及其应用 System Generator™ for DSP 是业内领先的高 级工具，适于利用 FPGA设计高性能DSP 系统。工具的提取功 能使您能利用业内最 高级的FPGA开发高度 并行的系统，Simulink 与MATLAB (MathWorks公司)提供 了系统建模与自动代 码生成。 （二）Simulink与System Generator设计流程 －－生成DSP系统的Simulink模型 Simulink与Xilinx System Generator 及其应用 SysGen blocks realizable in hardware I/O blocks are used as interface between the Xilinx Blockset and other Simulink™ blocks Simulink sources （二）Simulink与System Generator设计流程 －－在Simulink中对模型进行仿真和功能验证 Simulink与Xilinx System Generator 及其应用 Push play to simulate the design. Go to Simulation Parameters, under the Simulation menu, to control the length of the simulations （二）Simulink与System Generator设计流程 －－在利用xilinx插件生成FPGA网表并实现 Simulink与Xilinx System Generator 及其应用 „ Select HDL Netlist as the compilation mode „ Select the target part „ Set the FPGA Clock Period „ Check Create Testbench „ Generate the VHDL Once complete, double-click the System Generator token （二）Simulink与System Generator设计流程 －－对目标系统进行硬件在回路半实物仿真 Simulink与Xilinx System Generator 及其应用 HDL co-simulation Hardware-in-the-loop co-simulation The System Generator extends Simulink™ to support external simulation engines • Hardware acceleration • Mixed-mode HDL/data flow （三）Simulink与System Generator应用 －－在高速数据采集预处理中的应用 Simulink与Xilinx System Generator 及其应用 实现的功能： FFT、数字滤波(FIR) DDC、脉冲压缩等 成功案例： 四通道高速数据采集卡，用于 某新型雷达（单站无源定 位）信号处理算法验证平 台，利用Xilinx FPGA XC2V1000与 SG实现预处 理算法（FFT） （一）Xilinx Accel DSP概述 Matlab 与Xilinx Accel DSP及其应用 AccelDSP Synthesis • AccelDSP™ 综合工具是基于高级 MATLAB®语言的工具，用于设计针对 Xilinx FPGA 的DSP算法。工具可自动 地进行浮动或定点转换，生成可综合 的VHDL或Verilog，并创建用于验证的 测试平台。 您还可以生成定点C++模 型或由MATLAB算法得到System Generator块。 AccelDSP综合工具是 Xilinx XtremeDSP™ 解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的关键 组成，集成了先进的FPGA、设计工 具、知识产权核、合作伙伴以及设计 与教育培训服务等。 （二）Xilinx Accel DSP提供的DSP算法库 Matlab 与Xilinx Accel DSP及其应用 Each IP module provides multiple silicon architectures that are fully parameterized to meet market-specific needs Matrix inversion QR method Cholesky method Triangular inversion Matrix factorization QR method Cholesky method SVD QRD-RLS Matrix inversion QR method Cholesky method Triangular inversion Matrix factorization QR method Cholesky method SVD QRD-RLS AccelWare Advanced Math Toolkit AccelWare Advanced Math Toolkit CIC Decimator / Interpolator Decimating FIR filter FFT, IFFT FIR Filter Half-Band FIR Filter Polynomial Evaluation Polyphase FIR Filter CIC Decimator / Interpolator Decimating FIR filter FFT, IFFT FIR Filter Half-Band FIR Filter Polynomial Evaluation Polyphase FIR Filter AccelWare Signal Processing Toolkit AccelWare Signal Processing Toolkit A/D Sinc Compensation Filter Convolutional Interleaver / Deinterleaver Convolutional Encoder Direct Digital Synthesizer Reed-Solomon Enc / Dec Root-raised Cosine Filter Viterbi Decoder BCH Enc / Dec Scrambler / Descrambler Direct Digital Synthesizer A/D Sinc Compensation Filter Convolutional Interleaver / Deinterleaver Convolutional Encoder Direct Digital Synthesizer Reed-Solomon Enc / Dec Root-raised Cosine Filter Viterbi Decoder BCH Enc / Dec Scrambler / Descrambler Direct Digital Synthesizer AccelWare Communications Toolkit AccelWare Communications Toolkit （三）Xilinx Accel DSP与Matlab的应用框架 Matlab 与Xilinx Accel DSP及其应用 Project Directory Analyze In-Memory Design Design Directives Generate Fixed Point MATLAB Fixed Point Model Project Verify Fixed Point Fixed Point PlotExamine the Coding Style MATLAB Floating Point Floating Point Plot Verify Floating Point Generate RTL RTL & Testbench RTL Synthesizer XST Synplify Pro Precision RTL Design Compiler FPGA Synthesize RTLVerify RTL HDL Simulator Riviera ModelSim Others Implement P&R Tools Xilinx ISE Verify Gates Generate Fixed Point MATLAB Fixed Point Model Verify Fixed Point Fixed Point Plot Evaluation Boards FPGAs Gate- level design Target Architecture AccelWare Parametric DSP Libraries Models Import （四）Matlab到FPGA硬件的映射与实现 Matlab 与Xilinx Accel DSP及其应用 o u t d a t a i n d a t a outdata_out OutputAvail OutputAck hw_design indata_in InputAvail InputReq input stimulus optional verification constructs for n = 1:NUMSAMPLES outdata( n ) = hw_design( indata( n ) ); end Script File Hardware Environment （五）测试向量的生成 －－利用Matlab语言自动生成 Matlab 与Xilinx Accel DSP及其应用 （六）Accel DSP设计流程与工具栏导航 Matlab 与Xilinx Accel DSP及其应用 „ Presents a push-button way to execute the design flow „ Steps are presented in the correct order using “progressive disclosure” „ Project “restore” feature returns you to the step where you last exited the tool （七）Matlab与Accel DSP在高速数据分析中的应用 Matlab 与Xilinx Accel DSP及其应用 „ 成功案例： 28通道多功能数据采集系 统，用于阵列雷达信号采 集系统算法验证，通过采 集阵列雷达的视频，中频 信号，利用AccelDSP与 SG 共同实现 例如 DDC,MTD等信号处理算 法 （一）功能仿真 信号处理算法的FPGA设计实现与调试技术 „ 在Simulink中对DSP系统模型进 行功能仿真 „ 利用Matlab对Accel DSP的系统 模型进行浮点和定点仿真 „ 在ISE中利用ModelSim实现对 FPGA设计的功能仿真 （二）利用ChipScope片内逻辑分析仪进行在线调试 信号处理算法的FPGA设计实现与调试技术 „ Insert Chipscope block into Simulink design „ Configure FPGA using JTAG interface „ Perform in-system debug at near system speeds （三）实物系统联调验证 信号处理算法的FPGA设计实现与调试技术 „ 利用 高速数据 总线 ， USB,PCI express将数据 传输到PC，利用软件验 证 (推荐！终极调试方 法) Matlab与FPGA设计技术总结与应用展望 „ 利用Matlab进行FPGA设计可以 大大提高设计的效率 „ Simulink与System Generator „ Matlab与Accel DSP „ Matlab与FPGA的结合为DSP专用 信号处理器提供了更高性能的保 障和有益的补充，将在雷达、通 信等高速信号处理领域发挥越来 越重要的作用 „谢谢！ „ 联系方式： „ 徐欣 „ TEL：13308491304 „ E-mail：xuxin@nudt.edu.cn