基于FPGA设计的sysGen算法系统设计

一、前言

利用FPGA设计算法一直以来都是热点，同样也是难点。将复杂的数学公式 模型通过硬件系统来搭建，在低延时 高并行性等优势背后极大提高了设计难度和开发周期。Xilinx公司的sysGen（system generator）工具扩展了MATLAB的simulink，提供很多IP Catalog中没有的基础模块和针对DSP应用的硬件模型。工程师利用丰富的模块和MATLAB强大的数据处理及可视化能力能够更快速完成设计与仿真验证工作。

二、sysGen算法系统设计

本文以个最简单的例子讲述利用sysGen搭建算法IP核，并集成到IP Integrator中作为ZYNQ PS端CPU的“定制外设”。仅用于测试目的。设计需求：在sysGen中搭建系统，将输入定点整数数据*2后输出，输入位宽为8bit。

在System Generator token中设定仿真步长为1sec。点击需要观测的信号连线，右击选择Xilinx add to viewer。启动仿真并启动Xilinx waveform viewer：

本质上就是调用Vivado的XSim工具进行行为仿真。仿真结果可见完成预期目标，现双击System Generator token ，选择Compiliation类型为IP Catalog并勾选Create testbench，按下Generate生成IP核。

三、仿真测试

根据User Guide介绍sysGen是“周期和比特精准的”，我们还是在Vivado环境下再次验证下。netlist文件夹内子文件夹ip_catalog中为IP核示例工程，由于自动生成了testbench，打开后直接进行行为仿真。sysGen在创建testbench时会将经过gatein和gateout的数据储存到文件中，testbench进行的工作为：将gatein数据作为测试激励送入到相应设计输入端口，之后把设计输出得到结果与gateout文件数据进行逐一比较从而验证设计是否与sysGen环境下仿真结果一致。

发现个比较有意思的现象，自动生成的testbench中clock生成并约束的50MHz，而是认为进行了拓展。

仿真波形如图：

将clock处改动为50MHz后，经过测试发现如果系统一开始就输入数据，前几个数据没有被真正处理，输出错误。可能是软件BUG吧，不过这种情况也非常少见，实际系统中输入数据大多情况会启动一段时间后才输入。这里等待100ns后再启动clock翻转：

改动后仿真波形：

四、AXI-Stream总线形式IP

到此算法IP的设计与验证结束。如果想将这个IP核导入到IP Integrator中作为CPU的外设，其接口必须满足AXI总线标准，因此回到sysGen中更改端口名称和位宽。端口要符合AXI-Stream标准信号名称，位宽为8bit整数倍。

生成IP核后，打开新的工程，导入该IP核到repository。

五、Block Design系统搭建

系统结构与上一篇该系列博文类似，均是以AXI DMA为核心的Loop系统，只是将AXI-Stream Data FIFO改成了自定义IP核。由于IP核slave和master接口只包含tdata和tvalid信号，因此需要添加接口衔接的一些简单逻辑。tready信号和tkeep信号直接连接constant使用常数驱动，DMA的s_axis_s2mm接口的tlast由wrapper内计数器逻辑驱动，将system中FCLK_CLK0 peripheral_aresetn m_axis_tvalid和s_axis_s2mm_tlast信号引出到wrapper中。

有一点比较坑：自定义IP通过AXI总线与DMA互联时，总线下相应的接口不一定会正确对应，所以需要分别将两端的每个接口相连。可以通过打开综合后的设计来确认连线无误。

自动生成wrapper后改动添加代码如下：
`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

当自定义IP核输出256个数据时，拉高tlast信号结束传输。打开综合后的设计，添加调试探针，抓取DMA与自定义IP之间的接口信号，set up debug后完成接下来的流程。

六、软硬件联调

在硬件系统中定义数据帧长度为256个，数据位宽为16bit，因此C代码中DMA启动传输函数中数据长度参数为512byte。测试数据生成与检测代码非常简单：

我们直接查看ILA抓取AXI S总线波形：

看到CPU产生数据从1到4重复递增，IP核输出结果从2到8重复递增，输出为输入的2倍。

传输完成后进入DMA发送和接收中断，软件检测结果正确。在Memory窗口能够直接查看内存绝对地址里的数据，选定DDR接收缓存区起始地址，其中的数据与AXI总线传回数据一致，证明系统联调成功。之后任意算法模块均可采用本文方式进行设计和集成，可以说一劳永逸！

编辑：hfy