Документация

eml_hdl_design_patterns Библиотека

eml_hdl_design_patterns библиотека является обширным набором примеров, демонстрирующих полезные приложения блока MATLAB Function в генерации HDL-кода.

Чтобы открыть библиотеку, введите следующую команду в подсказке MATLAB^®:

eml_hdl_design_patterns

Можно использовать много блоков в библиотеке как примеры поваренной книги различных аппаратных компонентов, можно следующим образом:

Когда вы создаете пользовательские блоки, можно управлять, встроить ли или инстанцировать HDL-кода, сгенерированного от блоков MATLAB Function. Используйте флажок Inline MATLAB Function block code в разделе HDL Code Generation> Global Settings> Coding style диалогового окна Configuration Parameters. Для получения дополнительной информации см. Встроенный код блока MATLAB function.

Эффективные алгоритмы фиксированной точки

Блок MATLAB Function поддерживает арифметику с плавающей точкой и также вычисления с фиксированной точкой при помощи Fixed-Point Designer™ fi функция. Эти поддержки функции, округляющиеся и режимы насыщения, которые полезны для алгоритмов кодирования, которые управляют произвольным словом и дробными длинами. HDL Coder™ поддерживает все fi округление и режимы переполнения. HDL-код, сгенерированный от блока MATLAB Function, битно-верен для семантики MATLAB. Сгенерированный код использует побитовую обработку и битные операторы доступа (например, Срез, Расширьте, Уменьшайте, Concat, и т.д.), которые являются нативными к VHDL^® и Verilog^®.

Следующее обсуждение показывает, как HDL-код, сгенерированный от блока MATLAB Function, следует за семантикой броска перед суммой, в которой сложение и операнды вычитания брошены к типу результата перед сложением, или вычитание выполняется.

Откройте eml_hdl_design_patterns библиотека и выбирает Combinatorics/eml_expr блок. eml_expr реализует простое выражение, содержащее сложение, вычитание и операторы умножения с отличающимися типами данных фиксированной точки. Сгенерированный HDL-код показывает преобразование этого выражения с операндами фиксированной точки. Блок MATLAB Function использует следующий код:

% fixpt arithmetic expression
expr = (a*b) - (a+b);
 
% cast the result to (sfix7_En4) output type
y = fi(expr, 1, 7, 4);

fimath по умолчанию спецификация для блока определяет поведение арифметических выражений с помощью операндов фиксированной точки в блоке MATLAB Function:

fimath(...
   'RoundMode', 'ceil',...
   'OverflowMode', 'saturate',...
   'ProductMode', 'FullPrecision', 'ProductWordLength', 32,...
   'SumMode', 'FullPrecision', 'SumWordLength', 32,...
   'CastBeforeSum', true)

Типы данных операндов и выхода следующие:

Перед генерацией HDL-кода это выражение сломано внутренне во многие шаги.

expr = (a*b) - (a+b);

Шаги включают:

На основе fimath настройки как описано в Руководстве по проектированию для блока MATLAB function, это выражение далее сломано внутренне можно следующим образом:

Следующие списки показывают сгенерированный код VHDL и Verilog от eml_expr блок.

Это - код VHDL:

 BEGIN
    --MATLAB Function 'Subsystem/eml_expr': '<S2>:1'
    -- fixpt arithmetic expression
    --'<S2>:1:4'
    mul_temp <= signed(a) * signed(b);
    sub_cast <= resize(mul_temp, 11);
    add_cast <= resize(signed(a & '0'), 7);
    add_cast_0 <= resize(signed(b), 7);
    add_temp <= add_cast + add_cast_0;
    sub_cast_0 <= resize(add_temp & '0' & '0', 11);
    expr <= sub_cast - sub_cast_0;
    -- cast the result to correct output type
    --'<S2>:1:7'
    
    y <= "0111111" WHEN ((expr(10) = '0') AND (expr(9 DOWNTO 7) /= "000"))
            OR ((expr(10) = '0') AND (expr(7 DOWNTO 1) = "0111111"))
           ELSE
          "1000000" WHEN (expr(10) = '1') AND (expr(9 DOWNTO 7) /= "111")
           ELSE
           std_logic_vector(expr(7 DOWNTO 1) + ("0" & expr(0)));

END fsm_SFHDL;

Это - код Verilog:

//MATLAB Function 'Subsystem/eml_expr': '<S2>:1'
    // fixpt arithmetic expression
    //'<S2>:1:4'
    assign mul_temp = a * b;
    assign sub_cast = mul_temp;
    assign add_cast = {a[4], {a, 1'b0}};
    assign add_cast_0 = b;
    assign add_temp = add_cast + add_cast_0;
    assign sub_cast_0 = {{2{add_temp[6]}}, {add_temp, 2'b00}};
    assign expr = sub_cast - sub_cast_0;
    // cast the result to correct output type
    //'<S2>:1:7'
    assign y = (((expr[10] == 0) && (expr[9:7] != 0)) 
                || ((expr[10] == 0) && (expr[7:1] == 63)) ? 7'sb0111111 :
                ((expr[10] == 1) && (expr[9:7] != 7) ? 7'sb1000000 :
                expr[7:1] + $signed({1'b0, expr[0]})));

Эти выборки кода показывают, что сгенерированный HDL-код от блока MATLAB Function представляет битно-истинное поведение выражений вычислений с фиксированной точкой с помощью высокоуровневых операторов HDL. HDL-код сгенерирован, использовав правила кодирования HDL как bitselect высокого уровня и partselect операторы репликации и явное расширение знака и изменяют размер операторов.

Состояние модели Используя персистентные переменные

В модели блочного программирования MATLAB Function содержащие состояние элементы представлены как персистентные переменные. Переменная, которая объявляется persistent сохраняет его значение через вызовы функции в программном обеспечении, и через шаги шага расчета в процессе моделирования.

Обратите внимание на то, что ваш код MATLAB должен считать персистентную переменную, прежде чем это будет записано, если вы хотите, чтобы HDL Coder вывел регистр в HDL-коде. Генератор кода отображает предупреждающее сообщение, если ваш код не следует этому правилу.

Следующий пример показывает unit delay блокируйтесь, который задерживает входную выборку, u, одним шагом времени симуляции. u операнд фиксированной точки типа sfix6. u_d персистентная переменная, которая содержит входную выборку.

function y = fcn(u)
 
persistent u_d;
if isempty(u_d)
    u_d = fi(-1, numerictype(u), fimath(u));
end
 
% return delayed input from last sample time hit
y = u_d;
 
% store the current input to be used later
u_d = u;

Поскольку этот код предназначает для u_d вывести регистр во время генерации HDL-кода, u_d читается в операторе присваивания, y = u_d, прежде чем это будет написано в u_d = u.

HDL Coder генерирует следующий HDL-код для unit delay блок.

ENTITY Unit_Delay IS
    PORT (
        clk : IN std_logic; 
        clk_enable : IN std_logic; 
        reset : IN std_logic;
        u : IN std_logic_vector(15 DOWNTO 0);
        y : OUT std_logic_vector(15 DOWNTO 0));
END Unit_Delay;


ARCHITECTURE fsm_SFHDL OF Unit_Delay IS


BEGIN
    initialize_Unit_Delay : PROCESS (clk, reset)
    BEGIN
        IF reset = '1' THEN
            y <= std_logic_vector(to_signed(0, 16));
        ELSIF clk'EVENT AND clk = '1' THEN
            IF clk_enable = '1' THEN
                y <= u;
            END IF;
        END IF;
    END PROCESS initialize_Unit_Delay;

Инициализация персистентных переменных перемещена в основную область сброса в процессе инициализации.

Обратитесь к Delays подсистема в eml_hdl_design_patterns библиотека, чтобы видеть, как векторы из персистентных переменных могут использоваться к целочисленной задержке модели, касается задержки и блоков вектора задержки касания. Эти шаблоны разработки полезны в реализации алгоритмов последовательности, которые несут состояние между выполнением блока MATLAB Function в модели.

Создание интеллектуальной собственности с блоком MATLAB Function

Блок MATLAB Function помогает вам интеллектуальная собственность автора, и создайте альтернативные реализации части алгоритма. При помощи блоков MATLAB Function таким образом, можно вести подробную работу генератора HDL-кода даже при написании высокоуровневых алгоритмов.

Например, подсистема Comparators в eml_hdl_design_patterns библиотека включает несколько альтернативных алгоритмов для нахождения минимального значения вектора. Comparators/eml_linear_min блокируйтесь находит минимум вектора в линейном режиме последовательно. Comparators/eml_tree_min блок сравнивает элементы в древовидной структуре. Древовидная реализация может достигнуть более высокой тактовой частоты путем добавления конвейерных регистров между log2(N) этапы. (См. eml_hdl_design_patterns/Filters для примера.)

Теперь рассмотрите заменяющий простую операцию сравнения в Comparators блоки с арифметической операцией (например, сложение, вычитание или умножение), где промежуточные результаты должны быть квантованы. Используя fimath округляя настройки, можно точно настроить расчеты промежуточного значения перед каналом промежуточных значений в следующий этап. Можно использовать этот метод для настройки сгенерированного оборудования или настройки алгоритма.

Ненастраиваемые аргументы параметра

Можно объявить ненастраиваемый параметр для блока MATLAB Function путем установки его Scope на Parameter в Портах и графический интерфейсе пользователя Менеджера данных и очистке опции Tunable.

Ненастраиваемый параметр не появляется как порт сигнала на блоке. Аргументы параметра для блоков MATLAB Function принимают, их значения от параметров, заданных в родительском Simulink^®, замаскировали подсистему или от переменных, заданных в базовом рабочем пространстве MATLAB, не от сигналов в модели Simulink.

Моделирование управляющей логики и простых конечных автоматов

Блок MATLAB Function управляет построениями, такими как switch/case и if-elseif-else, вместе с вычислениями с фиксированной точкой операции позволяют вам управляющая логика модели быстро.

FSMs/mealy_fsm_blk andFSMs/moore_fsm_blk блоки в eml_hdl_design_patterns библиотека обеспечивает реализации в качестве примера Мучнистых и конечных автоматов Мура в блоке MATLAB Function.

Следующий листинг реализует конечный автомат Мура.

function Z = moore_fsm(A)
 
persistent moore_state_reg;
if isempty(moore_state_reg)
    moore_state_reg = fi(0, 0, 2, 0);   
end
 
S1 = 0;
S2 = 1;
S3 = 2;
S4 = 3;
  
switch uint8(moore_state_reg)
    
    case S1,        
        Z = true;
        if (~A)
            moore_state_reg(1) = S1;
        else
            moore_state_reg(1) = S2;
        end        
    case S2,        
        Z = false;
        if (~A)
            moore_state_reg(1) = S1;
        else
            moore_state_reg(1) = S2;
        end        
    case S3,        
        Z = false;
        if (~A)
            moore_state_reg(1) = S2;
        else
            moore_state_reg(1) = S3;
        end        
    case S4,        
        Z = true;
        if (~A)
            moore_state_reg(1) = S1;
        else
            moore_state_reg(1) = S3;
        end
    otherwise,
        Z = false;
end

В этом примере, персистентная переменная (moore_state_reg) переменные состояния моделей. Выход зависит только от переменных состояния, таким образом моделируя машину Мура.

FSMs/mealy_fsm_blk блокируйтесь в eml_hdl_design_patterns библиотека реализует Мучнистый конечный автомат. Мучнистый конечный автомат отличается от конечного автомата Мура в этом, выходные параметры зависят от входных параметров, а также переменных состояния.

Блок MATLAB Function может быстро смоделировать простую машину состояний и другие основанные на управлении аппаратные алгоритмы (такие как сопоставители или связанные с синхронизацией контроллеры), использование проверяет утверждения и персистентные переменные.

Для моделирования более комплексной и иерархической машины состояний со сложной временной логикой используйте график Stateflow^®, чтобы смоделировать конечный автомат.

Моделирование счетчиков

Чтобы реализовать алгоритмы арифметической и управляющей логики в блоках MATLAB Function, предназначенных для генерации HDL-кода, существуют некоторые простые связанные с HDL требования кодирования:

Следующий скрипт показывает, как смоделировать синхронное/обратный счетчик с предварительно установленными значениями и входными параметрами управления. Пример обеспечивает и основное управление сбросом переменных постоянного состояния и локальные входные параметры блока использования управления сбросом (например, presetClear). isempty условие вводит процесс инициализации под управлением синхронного сброса. presetClear раздел реализован в выходном разделе в сгенерированном HDL-коде.

Оба вверх и вниз по операторам выбора, реализующим цикл количества, требуют, чтобы значения счетчика были квантованы после сложения или вычитания. По умолчанию блок MATLAB Function автоматически распространяет настройки фиксированной точки, заданные для блока. В этом скрипте, однако, явным образом заданы настройки фиксированной точки для промежуточных количеств и констант.

function [Q, QN]  = up_down_ctr(upDown, presetClear, loadData, presetData)
 
% up down result
% 'result' syntheses into sequential element
 
result_nt = numerictype(0,4,0);
result_fm = fimath('OverflowMode', 'saturate', 'RoundMode', 'floor');
 
initVal = fi(0, result_nt, result_fm);
 
persistent count;
if isempty(count)
    count = initVal;
end
 
if presetClear
    count = initVal;
elseif loadData
    count = presetData;
elseif upDown
    inc = count + fi(1, result_nt, result_fm);
    -- quantization of output
    count = fi(inc, result_nt, result_fm);
else
    dec = count - fi(1, result_nt, result_fm);
    -- quantization of output
    count = fi(dec, result_nt, result_fm);
end
 
Q = count;
QN = bitcmp(count);

Моделирование аппаратных компонентов

Следующий пример кода показывает, как смоделировать сдвиговые регистры в блочном коде MATLAB Function при помощи bitsliceget и bitconcat функции. Эта функция реализует последовательный ввод и вывод переключатели с 32-битным входом операнда фиксированной точки. Смотрите Shift Registers/shift_reg_1by32 блокируйтесь в eml_hdl_design_patterns библиотека для получения дополнительной информации.

function sr_out = fcn(shift, sr_in)
%shift register 1 by 32

persistent sr;
if isempty(sr)
    sr = fi(0, 0, 32, 0, 'fimath', fimath(sr_in));
end

% return sr[31]
sr_out = getmsb(sr);

if (shift)
    % sr_new[32:1] = sr[31:1] & sr_in
    sr = bitconcat(bitsliceget(sr, 31, 1), sr_in);
end

Следующий пример кода показывает код процесса VHDL, сгенерированный для shift_reg_1by32 блок.

shift_reg_1by32 : PROCESS (shift, sr_in, sr)
    BEGIN
      sr_next <= sr;
      -- MATLAB Function Function 'Subsystem/shift_reg_1by32': '<S2>:1'
      --shift register 1 by 32
      --'<S2>:1:1
      -- return sr[31]
      --'<S2>:1:10'
      sr_out <= sr(31);

      IF shift /= '0' THEN 
          --'<S2>:1:12'
          -- sr_new[32:1] = sr[31:1] & sr_in
          --'<S2>:1:14'
          sr_next <= sr(30 DOWNTO 0) & sr_in;
      END IF;

    END PROCESS shift_reg_1by32;

Shift Registers/shift_reg_1by64 блокируйтесь показывает переключатель на 64 бита. В этом случае переключатель использует два слова фиксированной точки, чтобы представлять операнд, преодолевая 32-битное ограничение размера слова для целых чисел фиксированной точки.

Просмотрите eml_hdl_design_patterns модель для других полезных аппаратных компонентов, которые могут быть легко реализованы с помощью блока MATLAB Function.

Десятичное число к бинарному преобразованию

Можно выполнить преобразования из целочисленного типа, чтобы сгенерировать немного векторного выхода и наоборот. Для модели в качестве примера, которая показывает, как выполнить это преобразование, открыть модель hdlcoder_int2bits_bits2int.

open_system('hdlcoder_int2bits_bits2int')