学会System Generator（5）Gateway In和Gateway Out详解

本文是该系列的第5篇。第2篇中以数字滤波器的设计为主题，介绍了System Generator的完整设计流程。本文将对其中使用到的Gateway In和Gateway Out模块进行详细介绍。

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Simulink到FPGA的转换

Simulink中的仿真模型为连续时间系统，数据格式多种多样；而FPGA中为离散时间系统，数据必须用一定的位数进行量化。两者之间必须要进行从连续到离散的转换、数据格式的转换，否则无法进行正确的FPGA设计。Xilinx Blockset中提供了相应的解决方案。

Gateway In和Gateway Out这两个block便是Simulink与FPGA之间的转换接口。经过转换后，Gateway In对应的是HDL模型中input；Gateway Out对应的是HDL模型中的output。可以说，所有的System Generator设计中必须包含至少一个Gateway In和Gateway Out。

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Gateway In block

1.数据类型转换

Gateway In block可以完成从Simulink数据类型到FPGA数据类型的转换：

借助于此功能，在Simulink中搭建仿真模型，外部信号可以传入FPGA系统，方便的进行仿真测试。数据类型转换势必会牵扯到量化和溢出的问题，Gateway In block也对此做了相关支持，具体可参考参数设置小节。

2.block特性

除了数据类型转换功能外，Gateway In block还具有如下特性功能：

• 定义了FPGA设计中的输入端口，修改block名称即可修改HDL端口信号名称；
• 使用System Generator生成testbench时，软件会将输入到Gateway In block的Simulink仿真信号按照设置的数据格式转换并存储到dat文件中，在testbench中调用（具体可参考本系列第3篇）。

3.参数设置

(1).在Output Type和Arithmetic type中可以设置转换后输出数据的格式：

• Boolean：布尔逻辑值，在HDL模型中对应单比特信号。
• Fixed-point：定点数，包括“Signed（2’s comp）”带符号数二进制补码和“Unsigned”无符号数两种。
• Floating-point：浮点数，Floating-point Precision可以设置数据为单精度（Single）、双精度（Double）或自定义的浮点数格式（Custom，自行规定指数与尾数位宽）。

(2).用有限位宽表示Simulink中的数据类型，必然会产生量化误差。在Quantization中可以选择数据的量化方式：

• Truncate：直接舍弃不需要的低位。
• Round（unbiased：+/-Inf）：以四舍五入的方式量化。

(3).数据转换过程中还可能会出现溢出（设置的数据格式无法表示Simulink中的值），Overflow中可以设置不同的处理方式：

• Wrap：舍弃掉需要表示的值的高位。
• Saturate：溢出的数转换为（所设置的数据格式能表达的）最大值或最小值。
• Flag as error：溢出时Simulink会报错（这个选项只在Simulink仿真时有效，在导出到FPGA时仍当作wrap处理）。
  

这里可以设置Gateway In转换到FPGA设计后的接口类型：“None”表示作为HDL设计的输入端口；“AXI4-Lite”表示会被当作AXI4-Lite总线（目前不会用到，相关配置也暂时不做介绍）。

IOB timing constraint设置该端口的时序约束：“None”表示不作约束；“Data rate”会将System Generator block中的系统时钟周期设置作为IO时钟约束。

如果System Generator的设计中，Gateway In恰好对应于FPGA硬件设计中的某个管脚，可以选中“Specify IOB location constraints”，根据提示完成管脚位置与IO电平标准的设置。

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Gateway Out block

1.block特性

与上一个block相反，Gateway Out block是完成从FPGA数据类型到Simulink数据类型的转换。其具有如下特性：

• 定义了FPGA设计中的输出端口，修改block名称即可修改HDL端口信号名称。Gateway Out还可以只作为测试端口，此时只是为了观察DSP系统内部，不会导出到FPGA设计中。
• 使用System Generator生成testbench时，软件会把从Gateway Out block输出的Simulink仿真信号存储到dat文件中，在testbench中调用来帮助设计中检查设计是否符合预期。

2.参数设置

当System Generator设计的DSP系统后续还接入了其它Simulink仿真模块时（即System Generator仅作为Simulink仿真的一个子系统），需要选中“Propagate data type to output”，将FPGA数据类型转换为相应的Simulink数据类型。

当选中“Translate into output port”时，该block将会作为FPGA设计的输出端口；如果没有选中，则该block会被视作为了观察DSP系统内部信号的测试端口，同时该block在Simulink中显示为灰色，如下图：

“Implementation”标签下的设置与上一个block基本相同，不再赘述。