推动日立通信系统开发采用基于模型的设计

日立公司的大部分产品都采用了信号处理算法，包括用于电信服务的无线基站、接入点和发射器，以及用于企业网络的IP-PBX和视频会议系s manbetx 845统。传统上，这些算法都是作为asic实现的。随着通信市场的多元化和转向高混合、低量生产，日立公司越来越依赖fpga。

我们采用了基于模型的设计方法^®和Sim万博1manbetxulink^®作为我们FPGA设计的标准开发流程。因此，通过在设计过程的早期评估系统性能，我们改善了团队之间的沟通，减少了开发时间，并降低了风险。

我们以前工作流程的局限性

日立通信系统的典型FPGA开发项目涉及三个团队：

• 系统设计团队开发信号处理算法以满足功能需求，并使用框图、算法代码、状态转换表等创建规范。

• FPGA设计团队创建功能图和HDL代码，包括用于验证最终算法的测试平台。该团队还执行逻辑合成和放置和路由步骤，以及验证FPGA实现。

• 功能测试团队测试每个组件的物理原型。然后他们集成组件并测试整个系统，包括无线电射频和模拟组件。

在我们以前基于文档的设计工作流中，每个团队都制定了自己的规范。这造成了团队之间的沟通差距，以及延迟和错误风险的增加。

FPGA系统设计团队和设计团队工作从一个基于FPGA设计团队的规范功能图(图1)。我们不得不使用这个功能图来确定系统设计团队需要澄清或额外的信息来描述在HDL代码所需的功能。这导致了不必要的延迟和重复工作，使该过程成为瓶颈，特别是对于FPGA设计团队。

用基于模型的设计架起沟通鸿沟

我们采用基于模型的设计，使团队能够通过共享仿真环境中的模型验证规范。在这个新的工作流程中，我们使用MATLAB和Simulink对信号处理算法进行建模。系统设计和FPGA设计团队将该模型用作可执行规范。在整个设计过程中，对模型进行了细化和阐述。HDL代码从模型自动生成，用于逻辑合成、放置和路由以及硬件实现。万博1manbetx

我们发现，采用基于模型的设计开发的FPGA实现的处理性能和资源效率几乎与传统工作流相同。耗电量也几乎相当。

此外，FPGA设计团队能够用传统工作流所需工程师人数的近一半来处理该项目。我们无法进一步减少人数的一个原因是优化Simulink模型所需的时间。万博1manbetx

应用基于模型的设计:关键注意事项和示例

在许多方面，我们发现基于模型的设计是一种理想的工作流（图2）。在实际FPGA设计中评估此方法时，我们确定了三个对成功结果至关重要的要素：模型细化、测试模式生成和合成后模拟。

万博1manbetx仿真软件模型改进

通常，系统设计团队创建信号处理算法。为保证精度，该算法采用双精度浮点数据建模。由于目标FPGA只能处理定点数据，因此必须将模型转换为定点数据。为硬件实现准备算法需要考虑其他因素，包括量化误差、位宽度和字长配置以及矢量数据处理。此外，在为代码生成做准备时，必须改进算法模型，以优化处理器性能，同时有效地使用FPGA设备上的资源，如DSP单元或RAM。

测试模式生成

HDL编码器™ 允许您通过Simulink模型的接口自动生成HDL测试模式数据。这大大减少了手动创建测试台所需的时间和精力。万博1manbetx

逻辑综合后的仿真

在逻辑综合之后运行仿真是验证实现的一种不可或缺但耗时的方法。此任务必须作为手动编码HDL的常规设计规则检查的替代品来执行。我们发现，使用FPGA在环（FIL）模拟和HDL验证器™ 减少此任务所需的时间（表1）。

在FIL中，Simul万博1manbetxink模型直接连接到标准FPGA测试板（图3）。

缩短验证时间意味着我们可以运行更多的测试用例。在日立，我们使用这种方法有效地检测错误，包括来自定时控制器电路和初始化电路的错误。

总体结果

图4显示了将基于模型的设计引入我们的无线通信系统开发过程的结果。

例1:在FIR滤波器中使用DSP单元

在本例中，我们使用向量表达式描述有限冲激响应（FIR）滤波器中的DSP单元（图5）。

然而，当我们实现直接从该模型生成的HDL代码时，我们在DSP单元外使用了加法器。因此，该设计不符合110 MHz时钟频率要求。

为了最有效地在DSP单元中使用内置加法器链，我们根据FPGA供应商的建议改进了模型。结果是性能从78 MHz提高到340 MHz（图6）。

示例2：将DSP单元用于复数乘法器

在本例中，我们在Simulink中描述了一个复杂的乘法器实现块（图7）。万博1manbetx

请注意，单位延迟被插入到输出之后。为了实现这个单元延迟，我们在DSP单元外激活了一个触发器(FF)。我们的目标是在位于乘法器和加法器之间的内置DSP单元的触发器上实现单位延迟。

我们通过改变FF结构对模型进行了细化™ 我们添加了第二个延迟块（图8）。我们为逻辑合成配置了附加约束，以禁止重定时并允许流水线。因此，FF在DSP单元上得到了有效实现。

简化向基于模型的设计的过渡

为确保基于模型设计的成功实施，我们举办了技术研讨会，帮助系统设计师和FPGA设计师了解基于模型设计的概念和好处。我们还制定了一套全面的指南，以规范FPGA设计工作流程，并帮助算法设计师和FPGA设计团队使用Simulink有效地作为共享的可执行规范。这些指南包括以下内容：万博1manbetx

万博1manbetx仿真软件规范。本指南提供了大约50条规则，规定了如何创建Simulink模型。万博1manbetx它包含一般规则，如操作条件和信号和数据的命名规则，以及指定模型结构、层次结构和框图格式的规则。

核查标准。本指南涵盖了硬件细节设计验证、FPGA实现和FPGA单元验证。它包括过程、所需的检查和验证文件。

HDL编码器提示。本文档总结了我们如何有效地使用HDL编码器的知识。它包含大约40项，包括如何操作和配置HDL编码器。

FIL用户手册。本文总结了我们在HDL验证器中使用FIL功能的经验，包括如何设置和操作FIL模拟环境。

推动基于模型的设计的采用

我们的团队主动推动了基于模型的设计在日立内部的应用。有时我们自己完成整个项目，从电路选择到硬件测试，以熟悉基于模型的设计，并证明各种开发概念。

迄今为止，我们已经在日立的10多个产品开发项目中采用了基于模型的设计，包括设计和开发无线基站中的信号处理组件、光通信设备和图像处理系统。我们希望将基于模型的设计推广到新的开发项目中，并与日立内部和合作伙伴公司的其他部门分享我们积累的经验。