Xlinx FPGA的DSP设计工具和设计流程

因为手上有一块Xilinx的Spartan--3E开发板，前些日子陆陆续续学习了ISE的一般工程开发，熟悉了Xilinx ISE 10.x的软件操作和开发板的使用。近来没有事情，于是乎，又把那开发板拿出来把弄把弄，开始学习Xilinx的FPGA的DSP开发设计。在这里先介绍一下Xlinx FPGA的DSP设计工具和设计流程。

近年来，随着多媒体技术和无线通信技术的迅猛发展，信息技术领域对DSP应用的需求不断增长，传统的DSP处理器（现在用得最多的当属IT的DSP，种类多，功能强大，软件技术也很成熟）虽然时钟速率很高，当DSP处理器在运行时按指令顺序执行，因而资源利用率不高，数据的吞吐量较低，难以实现高速率，高复杂度的设计。而FPGA拥有大量可编程逻辑资源，比如专用的DSP块，乘法器、双端口RAM、LUT、寄存器和DCM等，同时配合嵌入式处理器，像Altera的NiosII核、Xilinx的MicroBlaze和PowerPC405等处理器软核或硬核，可以轻松实现高数据率的数字信号处理设计，而且性能原声与传统的DSP处理器，具有可裁剪，灵活性大等特点，正越来越被人们所重视。

使用FPGA进行DSP算法设计时，传统方式下，设计者首先要进行浮点数的算法验证和仿真，然后再将其转换为定点数程序；其次将定点数算法编写成HDL代码，通过反复的功能仿真，后仿真验证程序的正确性，最终生成比特流。Xilinx公司推出的系统建模工具System Generator简化了整个DSP设计流程。设计者只需要根据设计要求咱Simulink下进行系统建模，使用System Generator工具即可自动生成可执行比特流、测试文件等，去掉繁琐的仿真、对比和验证过程。由于提供了适合硬件设计的数字信号处理（DSP）建模环境，加速、简化了FPGA的DSP系统级硬件设计。

关于System Generator的下载和安装过程，我在此就不详细说明了，在google上搜索一下就能找到的。关于System Gnenrator的使用说明我在此向大家推荐一本很好的教材--《Xilinx ISE Design suite 10.x FPGA开发指南》（人民邮电出版社、田耕 胡彬 徐文波等著）我是在学校图书馆借到的这本书，写得很详细，相当不错。我写这篇文章的之前做的实验也是参考上面做的。下面我进入正题，具体介绍我在用SystemGenerator工具完成DSP设计后使用Xilinx ISE 10.x 调用Modelsim SE 6.5进行仿真验证时遇到的的若干问题及其解决方法。

下图为我设计的用Matlab Simulink工具设计DSP工程。
在用System Generator进行FPGA的DSP模块设计是以下几点值得特别注意：
①设计的的FPGA DSP模块的全局输入和输出数据（也就是在非Xilinx库提供的数据源或者数据显示、测量终端，比如下面设计中的Step信号源和Scope示波器等）必须经过Xilinx提供的Gateway In和Gateway OUT进行采样，进而得到FPGA内部能够处理的定点数。
②每个设计中至少要包含一个System Generator图标，因为它是联系MATLAB设计与Xilinx FPGA 硬件实现的主要桥梁，通过它可以实现FPGA实现属性的设置和修改，双击该图标会出现如图-2所示的对话框。
③由于在System Generator中进行设计是需要对外部数据进行采样，所以设计中各个Gateway In和Gateway Out模块都有一个采样周期和采样后所得定点数精度的设置，另外在整个系统也必须有一个系统采样设置，多数情况下就对应着FPGA实现设计是的全局时钟，其设置在 图-2中的Simulink System Clock（sec）。这里需要特别注意，系统设置必须是整个FPGA的最高时钟，而Gateway In和Gateway Out模块的采样周期都必须是它的整数倍，否则系统会报错，设计失败。

 

下图为System Generator的系统设置，请注意其中勾选了Create testbench选项，这样在点击Generator以后，系统才会自动生成勇于Modelsim仿真的测试文件，十分方便。

 

当一切设计好之后，点击图-2中的Generator按钮，系统就会自动调用ISE工具进行综合并产生所以需要的设计文件和仿真文件。
接下来，运行ISE，打开Open Project，将路径切换至MATLAB的work工作目录文件下找到netlist文件，进入就会看到一个已经生产的<工程名>_dcm_mcw.ise的ISE工程文件如图-3示，点击打开.

接着，设置ISE调用Modelsin进行仿真的路径：
点击ISE窗口的Edit---->Prefrence,出现图-4窗口，点击展开ISE General--->Intergrated Tools,如下所示，在Model Tech simulator项选择你的Modelsim安装路径完成设置。另外ISE也提供利用其他综合工具进行设计综合的软件接口，如Synplify 或者Synplify Pro。

图-4 点击ISE窗口的Edit---->Prefrence

然后，回到ISE工程界面，在source窗口选择Source for 切换至Behavior Simulation，此时在Sources窗口就能看见刚才System Generator自动生成的testbench测试文件了以<工程名>-dcm_mcw_tb-structure形式命名。如图-5示：

 

接下来的一步是决定ISE能否成功调用Modelsim SE6.5进行仿真工作的关键。我遇到的问题也大都在于此。如果此时，你和我一样迫不及待的想看到仿真的结果而草草的点击图-6中Process窗口的Simulate Behavioral Model的话，一连串的问题也就随之出现了。
如图-6所示，Modelsim的命令窗口输出了以下错误信息
# ** Error: lab_dcm.vhd(41): Library xilinxcorelib not found.
# ** Error: lab_dcm.vhd(43): VHDL Compiler exiting
# ** Error: D:/modeltech_6.5/win32/vcom failed.
# Error in macro ./pn_behavioral.do line 9
# D:/modeltech_6.5/win32/vcom failed.
# while executing

 

上面的信息提示：//没找到 Library xilinxcorelib所以编译器不能对当前工程进行编译和仿真，所编译器退出。
看到如此的信息，当时很茫然，这到底是怎么回事呢？从 xilinxcorelib来看似乎是Modelsim里面没有Xilinx的仿真库呀！
到google上面一查才知道，原来用Modelsim进行仿真时，先要对设计中调用的元件库进行编译，也就是compile，通过之后才能进行波形仿真（simulate）。而Modelsim 的SE版本属于通用版，仅集成（也就是自带的）一般的库，比如ieee库，Verilog库和标准库std等。不像其专业版，如跟Altera设计的ModelSim-Altera版就自带了AlteraFPGA的全部设计库。
另外，Modelsim在启动时，会调用一个非常关键的初始化文件--Modelsim.ini,这个文件决定了本次Modelsim软件启动后所具备的库的多少和映射关系。在知道了这一点后，我就在电脑上搜索Modelsim.ini，结果惊讶的发现了在我的电脑上面居然有好几个Modelsim.ini文件。如图-7所示：

 

看到上面的搜索结果，我才想起以前曾经使用过Modelsim，但都是FPGA软件安装包配套的版本，有ACTEL的FPGA设计软件Libero8.3自带的专业许可的Modelsim版本和Altera 的FPGA设计软件Quartus9.0自带的ModelSim-Altera 6.4a (Quartus II 9.0) Starter Edition版本，在使用的时候由于是专业版，都安装好了各自FPGA厂商的设计库，在用FPGA软件调用Modelsim是从未遇到过此类数据库lib方面的问题。
由此，我也发现EDA工具在生成Modelsim测试文件时会根据FPGA的设计环境生产一个Modelsim.ini文件，用于调用Modelsim软件仿真时初始化Modelsim的启动环境。该初始化文件一般都包含在各自的工程设计文件目录下。如图-8所示。
我打开我当前的设计工程目录：D:\Program Files\MATLAB\R2007a\work\my_lab\netlist下的Modelsim.ini文件，发现其中的库设置内容如下：
[Library]
others = $MODEL_TECH/../modelsim.ini
;vhdl_psl_checkers = $MODEL_TECH/../vhdl_psl_checkers // Source files only for this release
;verilog_psl_checkers = $MODEL_TECH/../verilog_psl_checkers // Source files only for this release
;mvc_lib = $MODEL_TECH/../mvc_lib
上面语句的意思是每个库的名称及其映射路径，从上面并没有发现错误中所提到的xilinxcorelib这个库及其映射路径。所以出错也就理所当然啦！
另外从上面的语句还可以看出，Modelsim在启动时首先调用的是当前工程设计目录下的modelsim.ini文件，其他它通过others = $MODEL_TECH/../modelsim.ini还会调用modelsim安装目录下的初始化文件，进行库的映射。
好了，在打开modelsim安装目录下的初始化文件modelsim.ini文件发现其库映射设置如下：
[Library]
std = $MODEL_TECH/../std
ieee = $MODEL_TECH/../ieee
verilog = $MODEL_TECH/../verilog
vital2000 = $MODEL_TECH/../vital2000
std_developerskit = $MODEL_TECH/../std_developerskit
synopsys = $MODEL_TECH/../synopsys
modelsim_lib = $MODEL_TECH/../modelsim_lib
sv_std = $MODEL_TECH/../sv_std
mtiAvm = $MODEL_TECH/../avm
mtiOvm = $MODEL_TECH/../ovm-2.0.1
mtiUPF = $MODEL_TECH/../upf_lib
mtiPA = $MODEL_TECH/../pa_lib
floatfixlib = $MODEL_TECH/../floatfixlib
;vhdl_psl_checkers = $MODEL_TECH/../vhdl_psl_checkers // Source files only for this release
;verilog_psl_checkers = $MODEL_TECH/../verilog_psl_checkers // Source files only for this release
;mvc_lib = $MODEL_TECH/../mvc_lib
中也就是我们在图-6的modelsim软件界面的library栏所见到的所有库了。
继而，我又在google上进一步搜索ISE调用modelsim进行仿真方面的问题。看到一些william hill官网 的回帖中谈到，用Modelsim进行Xilinx FPGA设计的仿真时安装Xilinx库的各种方法。我将它们都一一试了一遍，问题依旧啊！特别是其中用ISE的compxlibgui.exe工具（安装路径\Xilinx\10.1\ISE\bin\nt\compxlibgui.exe）进行自动的Xilinx库编译时，由于选择了全部的库进行编译，用了近3个小时才完成。于是，我很不甘心就这样失败了。
回想整个工程，我又在电脑上搜索modelsim.ini文件，发现此时在ISE的安装目录下多了一个该文件（见图-7所示），于是迫不及待的打开，发现如下：
[Library]
others = $MODEL_TECH/../modelsim.ini
;vhdl_psl_checkers = $MODEL_TECH/../vhdl_psl_checkers // Source files only for this release
;verilog_psl_checkers = $MODEL_TECH/../verilog_psl_checkers // Source files only for this release
;mvc_lib = $MODEL_TECH/../mvc_lib

UNISIMS_VER = C:\Xilinx\10.1\ISE\verilog\mti_se\unisims_ver
UNIMACRO_VER = C:\Xilinx\10.1\ISE\verilog\mti_se\unimacro_ver
UNI9000_VER = C:\Xilinx\10.1\ISE\verilog\mti_se\uni9000_ver
SIMPRIMS_VER = C:\Xilinx\10.1\ISE\verilog\mti_se\simprims_ver
XILINXCORELIB_VER = C:\Xilinx\10.1\ISE\verilog\mti_se\XilinxCoreLib_ver
SECUREIP = C:\Xilinx\10.1\ISE\verilog\mti_se\secureip
AIM_VER = C:\Xilinx\10.1\ISE\verilog\mti_se\abel_ver\aim_ver
CPLD_VER = C:\Xilinx\10.1\ISE\verilog\mti_se\cpld_ver
UNISIM = C:\Xilinx\10.1\ISE\vhdl\mti_se\unisim
UNIMACRO = C:\Xilinx\10.1\ISE\vhdl\mti_se\unimacro
SIMPRIM = C:\Xilinx\10.1\ISE\vhdl\mti_se\simprim
XILINXCORELIB = C:\Xilinx\10.1\ISE\vhdl\mti_se\XilinxCoreLib
AIM = C:\Xilinx\10.1\ISE\vhdl\mti_se\abel\aim
PLS = C:\Xilinx\10.1\ISE\vhdl\mti_se\abel\pls
CPLD = C:\Xilinx\10.1\ISE\vhdl\mti_se\cpld
奇迹般的发现了XILINXCORELIB = C:\Xilinx\10.1\ISE\vhdl\mti_se\XilinxCoreLib
于是，欣喜万分。将上面的全部粗体语句全部copy到当前工程目录下的modelsim.ini文件中，再在ISE下面重复上面的过程，奇迹终于出现啦！
My God！所有的Xilinx库都出现了，仿真波形也出来了!

 

这里再附上我上传在本网站上的Modelsim SE 6.5的完整版下载链接和利用ISE的compxlibgui.exe工具进行Xilinx库编译的流程截图。希望对大家有帮助。Modelsim SE 6.5的完整版下载链接：如果未能找到，请在搜索栏中搜Modelsim SE 6.5就可以看见了，全部11个压缩包，共202M
。

 

大家点击附件也可以查看完整版本。

 

胡恩伟
写于2010年3月15日于重大A区一舍

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Xilinx ISE 10.x 调用Modelsim SE 6.5仿真的若干问题及其解决方法   843 KB