在Matlab中实现FPGA硬件设计

　　近年来，在数字通信、网络、视频和图像处理领域，FPGA已经成为高性能数字信号处理系统的关键元件。FPGA的逻辑结构不仅包括查找表、寄存器、多路复用器、存储器，而且还有快速加法器、乘法器和I/O处理专用电路。FPGA具有实现高性能并行算法的能力，是构成高性能可定制数据通路处理器(数字滤波、FFT)的理想器件。如Virtex-II Pro FPGA包含高性能的可编程架构、嵌入式PowerPC处理器和3.125Gbps收发器等。

　　但是，FPGA在数字信号处理领域的广泛应用受限于几个因素。首先，DSP开发人员不熟悉硬件设计，尤其是FPGA。他们使用Matlab验证算法，运用C语言或汇编语言编程，通常不会使用硬件描述语言(VHDL或Verilog)实现数字设计。其次，虽然VHDL语言也提供了许多高层次的语言抽象，但是基于并行硬件系统的VHDL程序设计与基于微处理器的串行程序设计有很大的不同。

　　基于以上原因，Xilinx公司开发了基于Matlab的System Generatorfor DSP工具。System Generatorfor DSP是Simulink中一个基于FPGA的信号处理建模和设计工具。该工具可以将一个DSP系统表示为一个高度抽象的模块，并自动将系统映射为一个基于FPGA的硬件方案。重要的是，该System Generator for DSP实现这些功能并没有降低硬件性能。

　　1 System Generator for DSP的特点

　　simulink为DSP系统提供了强有力的高层次建模环境，可大量应用于算法开发和验证。System Generatorfor DSP作为Simulink的一个工具箱很好地体现了这些特性，同时又可以自动将设计转换为可综合的高效硬件实现方案。该硬件实现方案忠实于原始设计，因此设计模型与硬件实现在采样点(在simulink中定义)是一一对应的。通过使用Xilinx精心设计的IP(intellectual property)核可以使硬件方案具有较小的延迟和体积。虽然System Generator中的IP模块是经过功能抽象的，但是对于熟悉FPGA的设计者来说，该模块也具有直接访问底层硬件细节的能力。例如，可以指定System Generator乘法器模块使用Virtex-II系列FPGA中的专用高速乘法器元件，用户定义的IP模块也能够作为黑盒子插入系统之中，等等。

　　使用System Generator for DSP实现系统设计的主要特点有：

　　●在simulink中实现FPGA电路的系统级建模，并自动生成硬件描述语言。

　　●自动生成modelsim测试程序，支持软硬件仿真。

　　●支持用户创建的simulink模块。

　　●使用XILINX FPGA自动实现硬件系统。支持的XILINX FPGA系列包括Spartan-II,Spartan-IIE、Spar-tan-3、Virtex、Virtex-E、Virtex-II、Virtex-II PRO。

　　2　使用System Generatorfor DSP实现系统级建模

　　传统的DSP系统开发人员在设计一个DSP系统时，一般先研究算法，再使用matlab或C语言验证算法，最后由硬件工程师在fpga或DSP上实现并验证。典型的DSP系统设计流程如下：