System Generator从入门到放弃(四)-利用MCode调用MATLAB代码

System Generator从入门到放弃(四)-利用MCode调用MATLAB代码

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  System Generator是Xilinx公司进行数字信号处理开发的一种设计工具，它通过将Xilinx开发的一些模块嵌入到Simulink的库中，可以在Simulink中进行定点仿真，可以设置定点信号的类型，这样就可以比较定点仿真与浮点仿真的区别。并且可以生成HDL文件，或者网表，可以在ISE中进行调用。或者直接生成比特流下载文件。能够加快DSP系统的开发进度。

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一、利用MCode调用MATLAB代码

1、简介

  本设计是利用MCode设计一个有限状态机（FSM），从而实现一个序列检测器。
  FPGA设计中经常用到一些控制逻辑，如有限状态机（FSM），如果用各种block搭建一个FSM比较麻烦。System Generator支持调用MATLAB代码，通常可以编写MATLAB代码来实现FSM等控制逻辑，通过MCode block调用到System Generator设计中。

  具体介绍大家可以看看这篇博文，Verilog序列检测器-两例https://blog.csdn.net/Pieces_thinking/article/details/78704437。
  本文将使用MATLAB代码设计一个FSM，对“1011”这个序列进行检测。

2、本设计使用到的block

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Xilinx block

• MCode（->Index）：调用MATLAB函数

其它block

• Repeating Sequence Stair（Simulink->Sources）：生成序列

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3、Generator设计流程

  在库中在库中找到Repeating Sequence Stair、Gateway In、MCode、Gateway Out、System Generator、scope，分别添加到model中，如下：

3.1 生成二进制序列

  双击Repeating Sequence Stair，如下设置：

  该block可以产生重复的离散时间序列，在Vector of output values中设置一组序列（该值不是必须设置为0或1，只是本设计要检测二进制序列）。Signal Attributes->Output data type中可以设置输出数据的类型，这里设置为Boolean。
  设置完毕后，该block在model中的图标会显示一个大致的波形，可以据此判断设置是否正确。

3.2 序列检测器设计

  双击MCode块并单击Edit M-File，如下图所示：

  下图显示了MATLAB文本编辑器中的默认m代码。

  编辑默认的MATLAB函数，包括函数名state_machine和匹配的输入din和输出matched。

  进行编辑后，使用Save As将MATLAB文件保存为state_machine.m到相关工程文件夹。

  PS:在MCode属性编辑器中，可以使用Browse按钮引用本地M-code文件(state_machine.m)。

  在MCode Properties Editor单击 OK按钮。

  设置完毕后，该block在model中的图标会更换为对应的函数名称及输入/输出接口。再添加1个scope观察二进制序列与检测结果。model连接图如下：

3.3 有限状态机设计

  现在可以开始编写状态机了。这个状态机的气泡图如下图所示。该FSM有五种状态，能够连续检测两个序列。

  状态机的工作流程如下：

• S0为起始态，S4为终止态（matched只会在S4时为1，其它状态都为0）；
• S0检测到1时表示一帧序列的开始，01-12-23-34组成1011；
• S1为1时，仍然可能是一帧序列的开始，11-12-23-34组成1011；
• 由于只有S1为0时才会跳转到 S2，因此S2为0表明检测失败，重新返回S0状态开始检测；
• 23为0且S3为1时可能是一帧序列的开始，23-32-23-34组成1011；
• S4为1时可能是一帧序列的开始，41-12-23-34组成1011；S4为0时返回到S0状态重新开始检测。

3.4 MATLAB代码设计

  Edit the M-code file, state_machine.m

function matched = state_machine(din)

persistent state, state = xl_state(0,{xlUnsigned, 3, 0});

switch state
    case 0
        if din == 1
            state = 1;
        else
            state = 0;
        end
        matched = 0;
    case 1
        if din == 0
            state = 2;
        else
            state = 0;
        end
        matched = 0;
    case 2
        if din == 1
            state = 3;
        else
            state = 0;
        end
        matched = 0;
    case 3
        if din == 1
            state = 4;
        else
            state = 2; 
        end
        matched = 0;
    case 4
        if din == 0;
            state = 0;
        else
            state = 1;
        end
        matched = 1;
    otherwise
        state = 0;
        matched = 0;
end

  定义一个3Bits宽的（3-0）无符号（xlUnsigned）状态变量xl_state，使用switch语法控制状态之间的转移。由于3Bits位宽数据可表示0_{7，而FSM状态只有0}4，所以一定要加上otherwise控制状态转移。

  System Generator并不是支持所有的MATLAB语法和格式，还有一部分为Xilinx自定义的函数和数据格式，这部分的详细内容（支持的所有MATLAB语法）都记录在ug958这篇文档中。具体可参考该文档，下面也会简单进行介绍。

3.5 将设计导出到FPGA

  在System Generator block中设置好Simulink采样周期，设置好运行时间，开始运行验证设计。这里介绍一个仿真运行时间的设计技巧：假设系统采样率为50MHz，示波器中只需要显示20个点即可，运行时间可设置为“20/50e6”。

  可以看到每检测到一组“1011”序列后，便输出一个时钟周期的高电平。生成FPGA设计，在Vivado中进行仿真，结果与Simulink中仿真相同：

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4、支持的MATLAB语法

  原文：https://blog.csdn.net/FPGADesigner/article/details/80963366
  详细的信息可以参考xilinx官方文档ug958->第一章->MCode小节，传送门。

4.1 MCode block特性

  MCode用于在Simulink环境下执行MATLAB函数。MCode的名称与管脚即为函数名称与函数接口。在将System Generator设计导出到FPGA时，软件会将MATLAB代码转换为对应的HDL模型。MCode经常用于实现一些简单的算法功能、有限状态机和控制逻辑。

  调用的MATLAB函数必须遵循以下三条基本规则：

• 所有的输入和输出必须是Xilinx的定点数据类型（xfix）；
• 至少包含一个输出；
• M文件应在MATLAB的搜索路径下，或与slx模型文件在同一目录。

  当初次使用MCode时，会自动调用一个示例文件xlmax.m。博主建议先在slx文件目录下创建好新的m文件，再用Browse定位。

4.2 支持的MATLAB语法

4.2.1 所支持的MATLAB语法结构包括：

• 赋值（等号左边只能有一个变量）；
• if/else/elseif end语法（条件表达式必须是判断true/false或1/0）；
• switch语法（case只能选择常量）、for语法；
• 加法、减法、乘法、除法（除数必须是2的N次幂，因为可以转换为移位），除此之外，不支持其它算术表达式
• 关系运算符（<、<=、>、>=、==、~=）
• 逻辑运算符（&、|、~）

4.2.1 所支持的MATLAB函数及其功能

4.3 xfix数据类型

  xfix有三种数据类型：无符号定点数（xlUnsigned）、带符号定点数（xlSigned）、布尔值（xlBoolean）。使用xl_arith()判断数据类型时分别返回1、2、3。需要注意几点：

• 使用关系运算符得到的结果是布尔类型；
• 布尔变量不能进行算术操作；
• 逻辑运算符只能用于布尔变量

  编写MATLAB代码时，仍然可以使用整数、浮点数、布尔值来定义常量。整数和布尔值都会自动转换为xifix类型；浮点数需要用xfix()函数转换。xfix()函数还可以完成不同xifix数据类型的转换，其基本形式为：

x = xfix(type_spec, value);

  value为待转换的数，type_spec为转换后的数据类型。比如将浮点数π转换为xfix类型：

x = xfix({xlSigned, 20, 16, xlRound, xlWrap}, 3.1415926);

  转换后为Fix_20_16格式，Round量化，Wrap溢出（前面的文章中已经解释了这些含义）。量化方式可设置为xlTruncate、xlRound和xlRoundBBanker；溢出方式可设置为xlWrap、xlSaturate、xlThrowOverflow。

4.4 xl_state状态变量

  在整个仿真过程中，一个MATLAB函数会执行多次，必须保证其中的状态变量在每次执行完时保留其值（类似与C++语言中的static静态变量），否则无法正确实现控制功能。

  状态变量在MATLAB中需要用persistent关键词和xl_state函数定义，如下所示：

persistent s, s = xl_state(0, {xlSigned, 4, 0});

  该函数有两个参数：第一个0表示状态初始值，必须是常数；第二个参数是状态变量的数据类型，与xfix函数中的type_spec用法相同。状态变量还可以是一个向量，并且拥有许多配套的函数，ug958中给出了多个使用xl_state完成的设计实例。

4.5 确保变量被正确转换

  MATLAB是一种顺序执行代码，众所周知，HDL代码是并行执行的代码。为了能让MATLAB代码成功的转换为HDL模型，就要确保MATLAB用到的变量也能正确的转换（原文档描述为Variable Availability）。具体来讲就是要保证所有的变量在MATLAB语法的不同分支条件下都能够得到赋值。

  ug958给出了一个示例代码：

function [x, y, z] = test1(a, b)
x = a;
if a>b
    x = a + b; y = a;
end
switch a
case 0
    z = a + b;
case 1
    z = a - b;
end

  其中y变量只在“if a>b”的条件下赋值，而不清楚另一种情况下怎么办；z变量在switch的其它情况下也不知道该怎么办（switch没有otherwise）。在执行时MATLAB都会报错。x变量虽然也没有在if对应的else条件中赋值，但其已经提前赋值“x=a”，这样在else时会默认保留原值，该变量满足Variable Availability。

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