在FPGA上建立MATLAB和Simulink算法原型

芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工程師通常要為在硅片上實(shí)現(xiàn)的每一行RTL代碼寫出多達(dá)10行測(cè)試平臺(tái)代碼。驗(yàn)證任務(wù)在設(shè)計(jì)周期內(nèi)可能會(huì)占用50%或更多的時(shí)間。盡管如此辛苦，仍有接近60%的芯片存在功能瑕疵，需要返工。由于HDL仿真不足以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)錯(cuò)誤，芯片設(shè)計(jì)人員正利用FPGA來(lái)加速算法創(chuàng)建和原型設(shè)計(jì)。

　　利用FPGA處理大型測(cè)試數(shù)據(jù)集可以使工程師快速評(píng)估算法和架構(gòu)并迅速做出權(quán)衡。工程師也可以在實(shí)際環(huán)境下測(cè)試設(shè)計(jì)，避免因使用HDL仿真器耗大量時(shí)間。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具（如MATLAB和Simulink）通過(guò)在FPGA上快速建立算法原型，可以幫助工程師實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)。

　　本文將介紹使用MATLAB和Simulink創(chuàng)建FPGA原型的最佳方法。這些最佳方法包括：在設(shè)計(jì)過(guò)程初期分析定點(diǎn)量化的效應(yīng)并優(yōu)化字長(zhǎng)，產(chǎn)生更小、更高效的實(shí)現(xiàn)方案；利用自動(dòng)HDL代碼生成功能，更快生成FPGA原型；重用具有HDL協(xié)同仿真功能的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試平臺(tái)，采用系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)分析HDL實(shí)現(xiàn)方案；通過(guò)FPGA在環(huán)仿真加速驗(yàn)證（圖1）。

　　為什么在FPGA上建立原型？

　　在FPGA上建立算法原型可以增強(qiáng)工程師的信心，使他們相信自己的算法在實(shí)際環(huán)境中的表現(xiàn)能夠與預(yù)期相符。除了高速運(yùn)行測(cè)試向量和仿真方案，工程師還可以利用FPGA原型試驗(yàn)軟件功能以及諸如RF和模擬子系統(tǒng)的相關(guān)系統(tǒng)級(jí)功能。此外，由于FPGA原型運(yùn)行速度更快，可以使用大型數(shù)據(jù)集，暴露出仿真模型未能發(fā)現(xiàn)的缺陷。

　　采用HDL代碼生成功能的基于模型的設(shè)計(jì)可以使工程師有效地建立FPGA原型，如圖2所示。該圖向我們展示了這樣一種現(xiàn)實(shí)情況：工程師經(jīng)?？s短詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，試圖通過(guò)盡快開始硬件開發(fā)階段以符合開發(fā)周期的要求?，F(xiàn)實(shí)中，當(dāng)工程師發(fā)現(xiàn)定點(diǎn)算法達(dá)不到系統(tǒng)要求時(shí)，就得在HDL創(chuàng)建階段重新審視詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。這樣的重疊工作將使HDL創(chuàng)建階段延長(zhǎng)（如紫色長(zhǎng)條所示），并可能引發(fā)各種設(shè)計(jì)問(wèn)題（如膠合邏輯或設(shè)計(jì)補(bǔ)丁）。

　　由于自動(dòng)HDL代碼生成流程比手工編碼快，工程師得以把節(jié)省下來(lái)的時(shí)間投入到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，生成更優(yōu)質(zhì)的定點(diǎn)算法。與手動(dòng)的工作流程相比，這種方法使工程師能夠以更快的速度生成質(zhì)量更佳的FPGA原型。

　　數(shù)字下變頻器案例研究

　　為了說(shuō)明采用基于模型的設(shè)計(jì)建立FPGA原型的最佳方法，可借助數(shù)字下變頻器（DDC）來(lái)進(jìn)行案例研究。在眾多的通信系統(tǒng)中，DDC是一種普通的構(gòu)建塊（圖3）。該構(gòu)建塊用于將高速通帶輸入轉(zhuǎn)換為低速基帶輸出，以便使用較低采樣率時(shí)鐘進(jìn)行處理。這樣，在硬件實(shí)施階段便可降低功耗、節(jié)約資源。DDC的主要部件包括：數(shù)控振蕩器（NCO）、混頻器和數(shù)字濾波器鏈路（圖4）。

　　在設(shè)計(jì)過(guò)程初期分析定點(diǎn)量化的效應(yīng)

　　工程師通常使用浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型來(lái)測(cè)試新的構(gòu)想和開發(fā)初始算法。然而，F(xiàn)PGA和ASIC硬件實(shí)現(xiàn)要求轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型，而這往往會(huì)造成量化誤差。使用手動(dòng)工作流程時(shí)，通常在HDL編碼過(guò)程中執(zhí)行定點(diǎn)量化。在該工作流程中，工程師無(wú)法輕易地通過(guò)比較定點(diǎn)表示形式和浮點(diǎn)參考值量化定點(diǎn)量化的效應(yīng)，而分析針對(duì)溢出的HDL實(shí)現(xiàn)也同樣不易。

　　為了明智確定所需的小數(shù)位數(shù)，在開始HDL編碼過(guò)程之前，工程師需要某種方法來(lái)比較浮點(diǎn)仿真結(jié)果與定點(diǎn)仿真結(jié)果。增加小數(shù)位數(shù)可以減小量化誤差；不過(guò)，這種方法需要增加字長(zhǎng)（區(qū)域增多、功耗升高）。

　　例如，圖5展示了DDC濾波器鏈路中低通濾波器第一階段浮點(diǎn)與定點(diǎn)仿真結(jié)果的差異。這些差異是因定點(diǎn)量化所致。上方圖形顯示了浮點(diǎn)與定點(diǎn)仿真結(jié)果的重疊效果。下方圖形顯示了圖中每一點(diǎn)的量化誤差。工程師可能需要根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)增加小數(shù)位數(shù)以減小由此引出的量化誤差。

　　除了選擇小數(shù)位數(shù)之外，工程師還需要優(yōu)化字長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)低功耗和區(qū)域優(yōu)化的設(shè)計(jì)。