前言
一、System Generator快速入门
A-Xilinx Blockset库的基本介绍
System Generator和Simulink是无缝链接的，可以在MATLAB标准工具栏中直接启动，如图1所示。这些模块都根据其功能划分为不同的库，为了易于使用，又在某些库中添加了部分有广泛应用的模块，所有的模块都按字母顺序排列在Xilinx Index库中。读者需要注意的是：在Simulink环境中，只有通过Xilinx模块搭建的系统才能保证硬件可实现，其地位类似于HDL语言中的可综合语句。
从设计流程中可以看出，熟悉Xilinx DSP基本模块库是设计流程中的关键环节，只有掌握了基本模块的特性和功能，才能更好地实现算法。由Xilinx模块库和System Generator一起，可生成Xilinx可编程器件的最优逻辑，这属于最低层的设计模块，地位等效于IP Core，共有90多个。Xilinx模块库简要说明如表1所列。
表1 System Generator库的简要说明
1．基本单元模块
基本单元模块库中包含了数字逻辑的标准组件模块，使用这些模块可插入时间延迟、改变信号速率、引入常数、计数器以及多路复用器等。此外，还包含了3个特殊的模块System Generator标志、黑盒子模块（Black Box）以及边界定义模块，后文将对其进行详细说明。该库中简要的模块说明如表2所列。
表2 基本单元模块的说明列表
2．通信模块
通信应用是FPGA的主要应用领域之一，因此Xilinx的通信模块库提供了用于实现数字通信的各种函数，包括卷积编解码、RS编解码以及交织器等模块。该库中简要的模块说明如表3所列。
表3 通信模块的说明列表
3．控制逻辑模块
控制逻辑主要包括了用于创建各种控制逻辑和状态机的资源，包括了逻辑表达式模块、软核控制器、复用器以及存储器，其简要说明如表4所列。
表4 控制逻辑模块的说明列表
4．数据类型模块
数据类型模块主要用于信号的数据类型转换，包括移位、量化、并/串、串/并转换以及精度调整模块，其简要说明如表5所列。
表5 数据类型模块的说明列表
5．DSP模块
DSP模块是System Generator的核心，该库包含了所有常用的DSP模块，其简要说明如表6所列。
表6 DSP模块的说明列表
6．数学运算模块
数学运算是任何程序所不可避免的，Xilinx提供了丰富的数学运算库，包括基本四则运算、三角运算以及矩阵运算等，其简要说明如表7所列。
表7 数学运算模块的说明列表
7．存储器模块
该库包含了所有Xilinx存储器的Logic Core，其简要说明如表8所列。
表8 存储器模块的说明列表
8．共享储存器模块
表9 共享存储器模块的说明列表
9．工具模块
工具模块包含了FPGA设计流程中常用的ModelSim、ChipScope、资源评估等模块以及算法设计阶段的滤波器设计等模块。该库的模块在设计中起辅助作用，都是设计工具，一般不能生成HDL设计，其简要说明如表10所列。
表10 工具模块的说明列表
B-其他模块
1.FPGA边界定义模块
System Generator是FPGA实现和算法开发之间桥梁，通过两个标准模块“Gateway In”和“Gateway Out”来定义Simulink仿真模型中FPGA的边界。“Gateway In”模块标志着FPGA边界的开始，能够将输入的浮点转换成定点数。“Gateway Out”模块标志着FPGA边界的结束，将芯片的输出数据转换成双精度数。在Simulink环境中双击这两个模块会弹出配置对话框，可以设定不同的转换规则，如图10所示。
图10 转换模块示意图
2．System Generator标志
每个System Generator应用框图都必须至少包含一个System Generator标志，如图11所示，否则会提示错误。标志模块用来驱动整个FPGA实现过程，不与任何模块相连。双击标志模块，可以打开属性编辑框，能够设置目标网表、器件型号、目标性能以及系统时钟频率等指标。
3．建立简易的DSP设计
一旦定义了FPGA边界就可以通过Xilinx DSP模块集合来建立各种DSP设计，包括滤波器、存储器、算术运算器、逻辑和比特操作器等丰富资源，每个模块都有详细的工作频率和比特宽度定义。标准的Simulink模块不能在“Gateway In”和“Gateway Out”之间使用，但常用来产生测试数据以及对FPGA的输出数据进行处理和分析。下面给出一个简单的FPGA系统设计实例。
二、System Generator中的信号类型
System Generator是面向硬件设计的工具，因此数据类型只能是定点的，而Simulink中的基本数据类型是双精度浮点型，因此Xilinx模块和Simulink模块连接时需要通过边界模块来转换。“Gateway In”模块把浮点数转换成定点数，“Gateway Out”把定点数转换成浮点数。此外，对于Simulink中的连续时间信号，还必须经过“Gateway In”模块的采样转换才能使用。
System Generator中的数据类型命名规则是非常简易且便于记忆的形式，如Fix_8_6表示此端口为8比特有符号数，其中6比特为小数部分。如果是无符号数，则带有“Ufix”前缀。在System Generator中，可通过选择 “Format” 菜单中的“Port/Signal Display Port Data Types”命令，来显示所有端口的数据类型，形象显示整个系统的数据精度。
Xilinx模块基本上都是多形态的，即可根据输入端口的数据类型来确定输出数据类型，但在有些情况下需要扩展信号宽度来保证不丢失有效数据。此外，也允许设计人员自定义模块的输入、输出数据的量化效果以及饱和处理。在图14所示的“Gateway In”模块属性对话框中，“Output type”选择数据为布尔型、有符号数还是无符号数；“Number of bits”即为定点数的位宽；“Binary point”为小数部分的宽度；“Quantization”选择定点量化模式；“Overflow”用于设定饱和处理模式；“Sample period”用于对连续时间信号的采样。因此按照System Generator的数据形式命名规则，“Gateway In”模块的数据类型为Fix/Ufix_(Number of bits)_(Binary point )。
此外，还有DSP48 instruction，显示为“UFix_11_0”，是Xilinx针对数字信号处理的专用模块，用于实现乘加运算。
三、 自动代码生成
System Generator能够自动地将设计编译为低级的HDL描述，且编译方式多样，取决于System Generator标志中的设置。为了生成HDL代码，还需要生成一些辅助下载的文件工程文件、约束文件等，和用于验证的测试代码（HDL testbench）。
A-编译并仿真System Generator模块
前面已经提到要对一个System Generator的设计进行仿真或者将其转化成硬件，则设计中必须包含一个System Generator生成标志。也可以将多个生成标志分布于不同的层中（一层一个），在层状结构中，处于别的层下的称为从模块，不属于从模块的则为主模块。但是特定的参数（如系统时钟频率）只能在主模块中设置。
对于任一添加的模块，都可以在System Generator模块中指定其代码生成方式和仿真处理形式，要编译整个系统，在顶层模块中利用System Generator模块生成代码即可。
不同编译类型的设定将会产生不同的输出文件，可选的编译类型包括两个网表文件类型（HDL网表和NGC网表）、比特流文件类型、EDK导出工具类型以及时序分析类型等4类。
- HDL网表类型是最常用的网表结构，其相应的输出结果包括HDL代码文件、EDIF文件和一些用于简化下载过程的辅助文件。设计结果可以直接被综合工具（如XST等）综合，也可以反馈到Xilinx物理设计工具（如ngdbuild、map、par和bitgen等）来产生配置FPGA的比特流文件。编译产生的文件类型如ISE中是一致的。NGC网表类型的编译结果和HDL网表类似，只是用NGC文件代替了HDL代码文件。
- 比特流文件类型的编译结果是直接能够配置FPGA的二进制比特流文件，并能直接在FPGA硬件平台上直接运行的。如果安装了硬件协仿真平台，可以通过选择“Hardware Co-simulation > XtremeDSP Development Kit > PCI and USB”，生成适合XtremeDSP开发板的二进制比特流文件。
- EDK导出工具类型的编译结果是可以生成直接导入Xilinx嵌入式开发工具（EDK）的工程文件以及不同类型的硬件协仿真文件。
- 时序分析类型的编译结果是该设计的时序分析报告。
B-编译约束文件
在编译一个设计时，System Generator会根据用户的配置产生相应的约束文件，通知下载配置工具如何处理设计输入，不仅可以完成更高质量的实现，还能够节省时间。
约束文件可控的指标包括：
- 系统时钟的周期；
- 系统工作速度，和系统时钟有关、设计的各个模块必须运行的速度；
- 管脚分配；
- 各个外部管脚以及内部端口的工作速度。
约束文件的格式取决于System Generator模块的综合工具：对于XST，其文件为XCF格式；对于Synplify/Synplify Pro，则使用NCF文件格式。
系统时钟在System Generator标志中设定，编译时将其写入约束文件，在实现时将其作为头等目标。在实际设计中，常常包含速度不同的多条路径，其中速度最高的采用系统时钟约束，其余路径的驱动时钟只能通过系统时钟的整数倍分频得到。当把设计转成硬件实现时，“Gateway In”和“Gateway Out”模块就变成了输入、输出端口，其管脚分配和接口数据速率必须在其参数对话框中设定，编译时会将其写入I/O时序约束文件中。
C-HDL测试代码
通常System Generator设计的比特宽度和工作频率都是确定的，因此Simulink仿真结果也要在硬件上精确匹配，需要将HDL仿真结果和Simulink仿真结果进行比较，才能确认HDL代码的正确性。特别当其包含黑盒子模块时，这样的验证显得格外重要。System Generator提供了自动生成测试代码的功能，并能给出HDL代码仿真正确与否的指示。
假设设计的名字是<design>，双击顶层模块的System Generator标志，将Compilation选项设为HDL Netlist，选中Create Testbench选项，然后点击Generate选项，不仅可以生成常用的设计文件，还有下面的测试文件：
- <design>_tb.vhd/.v文件，包含完整的HDL测试代码；
- Various.dat文件，包含了测试代码仿真时的测试激励向量和期望向量；
- 脚本Scripts vcom.do和vsim.do文件，用于在Modelsim中完成测试代码的编译和仿真，并将其结果和自动编译产生的HDL测试向量进行比较。
Various.dat文件是System Generator将通过“Gataway In/Out”模块的数据保存下来而形成的，其中经过输入模块的数据是测试激励，而通过输出模块的数据就是期望结果。测试代码只是简单的封装器，将测试激励送进生成的HDL代码，然后对输出结果和期望结果完成比较，给出正确指示。
四、 编译MATLAB设计生成FPGA代码
Xilinx公司提供了两种方法将MATLAB设计.m文件转化为HDL设计，一种就是利用AccelDSP综合器；另一种就是直接利用MCode模块。前者多应用于复杂或高速设计中，常用来完成高层次的IP核开发；而后者使用方便，支持MATLAB语言的有限子集，对实现算术运算、有限状态机和逻辑控制是非常有用的。本节内容以介绍MCode模块为主。
MCode模块实现的是装载在里面的.m函数的功能。此外，还能够使用Xilinx的定点类型数对.m函数进行评估。该模块使用回归状态变量以保证内部状态稳定不变，其输入、输出端口都由.m函数确定。
要使用MCode模块，必须实现编写.m函数，且代码文件必须和System Generator模型文件放在同一个文件夹中，或者处于MATLAB路径上的文件夹中。下面用两个实例来说明如何使用MCode模块。
五、子系统的建立和使用
System Generator设计经常作为大型HDL设计的一部分，本节就介绍如何使用System Generator来建立子系统模块，以及如何在整个系统中对其进行仿真。
A-子系统的建立以及仿真方法
子系统就是HDL语言中的模块，也类似于C++语言中的函数，是有效执行自顶向下设计的必备手段。如果将一个复杂设计完全在一个单独设计中实现，则该设计的验证和复查工作将是设计人员的噩梦。此外，从设计复用的角度讲，子系统可以IP核的方式为多个设计使用，具有高的可重用性，能节省大系统的开发时间。
建立子系统最简单的方法就是利用NGC二进制网表文件，将System Generator设计封装成一个单独的二进制模块，这样综合工具将其作为黑盒子看待。在建立子系统时，管脚约束不能在Gataway模块中定义，同样时钟管脚也不能在System Generator模块中定义，应通过网表编辑器来指定物理约束，这是因为NGC网表中不仅包括了逻辑设计，还包括了设计的约束信息。在复杂系统中建立子系统的设计流程如下所示：
1.NGC网表文件
生成NGC网表是建立子系统的第一步。在System Generator标志中将编译生成文件类型选为NGC List。如果设计中有时钟驱动电路，点击Generate后，会在目标文件夹生成“<design>_cw.ngc”文件，否则会生成“<design>.ngc”文件，其中<design>就是设计的名字。NGC网表文件包括设计中所有的逻辑和约束信息，这意味着将System Generator生成的所有HDL文件、内核以及约束等文件封装成一个单独的文件。
2.设计规则
在复杂系统中使用子模块时，必须遵循下面两条规则。
首先，不能在子模块设计文件中出现“Gateway In”、“Gateway Out”以及System Generator标志模块，否则NGDBuild工具会产生下面的警告：
其次，不能在综合的时候往NGC网表文件中插入I/O缓存器，否则会报错。I/O缓存器只能在顶层模块中使用。
3.逻辑综合
当使用子系统的NGC网表文件综合时，其流程如图23所示。NGC模块可在顶层模块中以黑盒子的方式直接例化。为了简化该过程，当通过NGC目标编译后，System Generator提供了HDL例化模板，保存在设计路径，且以“<design>_cw.veo”命名。当选择VHDL语言时，则其模板名为“<design>_cw.vho”。
4.仿真
把System Generator模型编译成NGC目标后，生成的HDL文件却只能完成HDL仿真，不能在ISE中综合。由于HDL文件不能包含在工程中，如果要在HDL仿真器中运行整个设计，就必须指定用户.do文件。除了HDL文件之外，还需要将内存初始化文件（.mif）和系数文件（.coe）和HDL文件放在同一文件夹中。
B-可配置子系统的建立
可配置子系统是一类可以作为标准元件使用的Simulink模块，但又和标准元件模块不同，其存在多种可选功能，每一种功能都可以实现，可以让用户灵活选择。以可配置FIR滤波器为例，实现快速滤波器需要很多资源，而许多低速的滤波器却只需要相对很少的资源，将其做成可配置的模块，就可以允许用户根据实际情况在速度和硬件代价之间做出最优平衡。这体现了可配置子模块最大的优势。
1.定义一个可配置子模块
可通过新建Simulink库来定义可配置子系统，且可选模块的实现也由库来管理。下面给出新建建库的具体步骤：
2.使用可配置子系统
要在设计中使用可配置子系统，先按照上面的步骤定义子系统，然后打开库，将需要的模版模块拖到设计中合适的位置，这样设计中就有了可配置子系统的实例，如图28所示的FIR滤波器模块。
在实例模块上点击右键，然后选择Block Choice选项中的Xilinx DA FIR，将实例作为基础实现模块使用。如图29所示。
3）在可配置子模块中添加和删除实例模块
添加和删除子系统是编辑、修改可配置子系统的基本操作，按照下面的步骤可以从可配置子系统中删除实例模块：
- 打开并解锁子系统的库；双击模版模块，然后在弹出的用户界面中取消相应模块检验框的选定，单击“OK”就可以删除掉相应的子模块，如图30所示；再保存库，重新编译即可；最后仍需要在设计更新子系统。
对于添加实例模块的步骤如下：首先，打开并解锁子系统的库；然后将实例模块拖到子系统设计中，双击模版模块；在弹出的用户界面中选中所需模块检验框，单击“OK”即可，如图31所示；再保存库，重新编译；在已有的设计中更新子系统。
- 生成可配置子模块的硬件电路
在System Generator中，模块可用于仿真和产生硬件。有时对于一个可配置子系统，最佳的方式是其既可以成为仿真基础模块，也可以用来生成硬件电路。例如将可配置子系统在仿真时作为普通的模块来产生仿真结果，在实现时作为黑盒子产生功能电路的HDL代码，就是一种常用方式。System Generator提供了可配置子系统管理模块来达到上述目的，其使用方法如下：
首先，打开、解锁可配置子系统的库文件（除了模版模块），然后双击该模块；
其次，将可配置子系统管理模块拖到打开的库中，该管理模块可以在“Xilinx Blockset/Tools/ Configurable Subsystem Manager”路径中找到，如图32所示。
最后，双击管理模块打开其属性配置GUI，选择可配置子系统中生成硬件电路的模块，如图33所示。单击“OK”保存子系统和库文件退出即可。