基于Xilinx ISE结合MATLAB对数字系统进行联合设计与仿真的方法设计详解.doc
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1、基于Xilinx ISE结合MATLAB对数字系统进行联合设计与仿真的方法设计详解1数字信号处理FPGA设计实现和验证中存在的问题和解决方法用FPGA来实现信号处理的算法有可能碰到以下一种或几种情况:a. 实现复杂的数字处理功能,例如实现DFT、数字滤波等通信信号处理算法;b. 模块多且功能验证十分繁琐;c. 数字系统尚包含某些不确定因素,例如环路参数等;d. 数字系统包含范围较大的反馈环节。实际设计中碰到的困难主要是以前的设计流程中系统方案和原理性仿真与硬件设计仿真脱节,尤其是在高速数字信号处理FPGA设计实现中没有很好的算法仿真验证手段。联合设计与仿真的方法针对数字信号处理FPGA设计实现
2、中碰到的问题和困难,提出了有效可行的解决方法,大大提高了数字信号处理算法FPGA设计实现的效率,有较高的推广应用价值。联合设计与仿真的方法主要包括以下3个方面。a. 分别创建数字系统的MATLAB仿真的数据源产生程序和实现特定功能的系统算法程序以及VHDL设计仿真程序模型;根据硬件性能对MATLAB 中的数据源进行量化,由浮点数转化成定点数据源,把系统仿真(浮点)中的某些功能模块改造成定点模型的MATLAB 模型,比如用定点的Simu-link模块来建立定点模型。b. 对VHDL源程序需要仿真的部分分层次建立VHDL Testbench文件,把原文件关联进去;在Testbench文件中运用VH
3、DL语言的TexTIO程序包实现对输入输出数据的读写,再结合ModelSim仿真软件实现对数字系统的仿真;仿真后输出的测试数据可以在VHDL Testbench文件指定的输出文本文件中找到,它的数据存储格式是按列向量存储的,可以直接被MATLAB读取,做有关数学运算或者数字信号处理运算如FFT等的运算并绘图显示。c. 特殊功能模块的仿真与验证,如对一些存储器的初始化和仿真以及一些双向总线的仿真都是由特定的测试方法来完成的的。2VHDL Testbench的概念和高效的Testbench文件编写2.1FPGA测试与验证的基本概念及方法(1)测试基准一旦设计者描述了一个设计,必须对其进行验证,以检
4、查是否符合设计规范。最常见的验证方法是在模拟时施加输入激励信号,然后读该设计的输出信号。ModelSim等波形仿真软件可以完成这个读的功能,但是输入激励信号需要用模拟器来完成。使用模拟器输入激励语言的一个主要缺点是它随着模拟器的不同而不同。验证的另一个方法是用VHDL编写一个测试模型发生器和要检查的输出,称为测试基准( Test-bench) ,它既提供输入信号,又测试设计的输出信号。由于测试基准也可能产生错误,所以它必须也能被测试。建议既要有VHDL测试基准,又要用环境模型来验证元件,称为系统模拟。VHDL测试基准的建立可以用VHDL语言标准程序包中的TexTIO来实现,具体的TexTIO在
5、下一节介绍。系统模拟的优点是元件的激励由系统仿真的数据源产生,近似于表示实际的模型产生。系统模拟的时间由输入的需要模拟的数据量来决定。在通信信号处理的仿真中,往往需要很大的数据量来验证设计的正确性,所以系统模拟的一个缺点就是所需时间过长。VHDL测试基准的优点是其速度与平台无关,所以在某些情况下,例如前面提到的用FPGA进行信号处理的几种情况,可以对这些情况全部或者部分地建立一个测试环境。图1示出一个测试基准逻辑结构。设计模型接收输入激励(输入信号,第一部分) ,并给出对测试基准的响应(输出信号,第二部分) 。(2)VHDL中的TexTIOTextIO例程是在VHDL标准中建立的,用它可以读/
6、写文件,这些例程的用法如下:Read ( )Readline ( )Write ( )Writeline ( )为了能使用这些例程,在设计程序中应引用VHDL 的标准程序包,即在VHDL代码的开头应当包含下面的行:use std. TextIO. all;这些标准程序包是在进程中对行变量或列变量进行操作,然后在程序中给这些变量进行赋值或引用。TextIO的一个很重要的应用就是在集成电路设计或FPGA设计中的测试基准中的应用,测试基准是测试方法学中一个很重要的测试和验证工具,它提供了设计模型和外部数据的输入输出接口。具体来说:模型的输入信号可以放在外部文件中,输出信号的期望值可以放在另一个文件中
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