基于System Generator的FPGA开发总结

只看该作者 · 2012-10-25 17:37

前一阵一直在忙，所以没有来得及写博文。弄完杂七杂八的事情，又继续FPGA的研究。使用Verilog HDL语言和原理图输入来完成FPGA设计的方法都试验过了，更高级的还有基于System Generator和基于EDK/Microblaze的方法。为了将以往已经开发的Matlab仿真通过的电机控制算法快速转换为可供FPGA使用的算法，首先研究了基于System Generator的FPGA开发，并有选择性地实现了几个算法，证明了其有效性。在这里先把开发过程中的一些心得写出来，欢迎大家分享、交流。
预先介绍一下软硬件环境：
ISE版本为Xilinx ISE Design Suite 12.1（包含System Generator12.1，但是那个著名的AccelDSP组件找不到了）；Matlab版本为MATLAB R2010a Win32版（Simulink为7.5版），硬件开发板有Digilentinc的Spartan3E XC3S500E开发板和自己制作的Spartan3 XC3S400实验板。
首先是安装Matlab，这里要注意的是Matlab的安装路径必须与英文开头，中间可以包含数字；其次是路径中不能有空格，否则System Generator将无法识别Matlab的路径。然后安装ISE 12.1,完成之后点击“C:\Documents and Settings\All Users\「开始」菜单\程序\Xilinx ISE Design Suite 12.1”里面的“System Generator MATLAB Configurator”，如果Matlab安装正确，System Generator会识别出Maltab，否则需要手动选择Maltab的路径；这里还有个版本限制，即ISE/ System Generator12.1只能完全支持Maltab2009a/b，对Maltab2010a只能beta支持（中间遇到问题就是Resource Estimator用了一次之后就再也不能正常运行了，不知道是不是beta的原因）。
然后就可以启动Matlab，新建一个mdl仿真文件，并打开Simulink Library Browser，切换到Xilinx Blocket，如果是第一次打开Xilinx Blocket，需要有一个建立Xilinx缓存的过程，时间比较长，不要把它当成电脑的假死。另外还有两个Xilinx的菜单是Xilinx Reference Blockset v12.1和Xilinx Blockset v12.1，这个以后再详细讲。

只看该作者 · 2012-10-25 17:38

下面进入开发步骤了。首先，每个工程里面都要有一个System Generator的工具箱（在Xilinx Blocket—tools里面），在这里可以配置的有
[1]. System Generator生成的工程类型，比如ISE工程、EDK工程等，甚至可以直接生产.bit配置文件；
[2]. 器件的型号，包括封装、速度等；
[3]. System Generator的输出路径（文件夹）；
[4]. 综合工具（如XST、Synplify等，经常找不到Synplify，干脆就XST好了）；
[5]. 编程语言选择：只有VHDL和Verilog HDL；
[6]. 可以选择是否生产测试文件；
[7]. 配置FPGA的时钟，并选择时钟管理方式，这里给出了时钟管脚的配置，不过应该先不填，不然在后面的综合中会有很多警告；其次是若选择了DCM方式，则只能支持Virtex4\5的器件（用Spartan3、3E编译时提示的；奇怪是为什么没有说支持最新的Spartan6、Virtex6器件）；
[8]. 最后是选择Simulink的仿真周期，以及各个模块的显示方式（比如选择default显示各个模块的默认值，选择Sampling Frequency则在各模块的输入输出引脚上显示其时钟频率，如50MHz、10MHz等）。
完成System Generator的配置之后，剩下的仿真环境的搭建、运行步骤和Simulink的普通应用是一样的，只不过必须是从Xilinx的菜单下拖出来的模块才能被物理实现（即可综合）；对应Simulink库中的其他模块和Xilinx模块之间的连接，要使用Gateway In和Gateway Out做为接口。
搭建完整个系统之后，把需要观察的变量通过Gateway Out接到示波器上，点击Simulink的运行按钮，就可以观测结果了。System Generator的差错机制非常严格，即使是数据位数不对都会停止仿真并报错。
仿真无误之后，可以运行的操作更加丰富，比如调用Modelsim进行仿真（System Generator的输出文件夹中已自动生产了.do文件），调用Resource Estimator预估资源（过程比较漫长，因为需要综合等过程）等。完成之后在System Generator工具箱中点击generate，就可以在输出文件夹中生产ISE的工程了(.xise)。
打开生产的ISE工程，接下来的操作跟平时没有什么区别，只不过这里的代码全部是自动生成的：）。当然，还有一点需要特别交待的就是，生成的工程中的约束文件中，只有时序约束，是没有管脚约束的（虽然没有管脚约束，也可以综合、映射、生成下载文件，有点奇怪）。可以给工程添加输入输出、信号，然后在Floorplan里面分配管脚。再经过综合、映射、生成下载文件，烧写到PROM里面，就可以运行了。

只看该作者 · 2012-10-25 17:38

最后附上一点在System Generator开发、调试过程中的一点小经验：
[1]. 一些Xilinx Blocket没有的逻辑结构，比如说case---switch语句，用模块搭比较麻烦，这时可以用Matlab的m文件书写，并保存为Matlab的函数，然后使用Xilinx Blocket的Mcode模块调用，这样比搭模块还要简单的多；
[2]. 浮点数的处理是个**烦，幸运的是Xilinx Blocket提供了Xfix语句，可以将浮点转换为需要的宽度、位数的定点，比如a = xfix({xlUnsigned, 8, 3}, 1.53)，就把浮点数1.53转换为无符号数，其前8位代表整数，后3位代表小数；
[3]. Xilinx Blocket一些模块是不消耗硬件资源的，比如scale模块；另一些则是消耗的，比如shift模块；这些详细说明在每个模块的帮助里面都有；
[4]. Xilinx Blocket中有的模块，不一定在所选择的器件上适用，比如DSP48、DSP48E等，此时需要结合具体器件的特点。
写了半天，手都酸了；更详细的例子，放在下次分享：）。