第十章从概念设计到芯片实现 信号处理的完整流程
第十章 从概念设计到芯片实现 ——信号处理的完整流程
10.1嵌入式系统及其开发流程 ·所谓嵌入式的系统，是指把单片的FPGA(Field Programmable Gate Array?现场可编程门阵列)或DSP (Digital Signal Processor数字信号处理器)芯片植入对 象的电路设备中，代替通用计算机，来完成对象的通 信、控制以及所有其他信号处理任务。与通用计算机 相比，嵌入式芯片具有体积小、重量轻、运行速度快、 便于集成、价格低、保密、工作可靠和便于大规模生 产等优点，所以适用于各种应用系统。统计资料说明， 从20世纪80年代出现这类系统以来，其所占有的市场 迅速扩大，目前已是通用计算机的几十至几百倍，而 且还在继续加大。可以预见，今后大部分信号处理系 统的开发人员在工作中所要面对的，将是这类系统
10.1 嵌入式系统及其开发流程 • 所谓嵌入式的系统，是指把单片的FPGA（Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列）或DSP （Digital Signal Processor数字信号处理器）芯片植入对 象的电路设备中，代替通用计算机，来完成对象的通 信、控制以及所有其他信号处理任务。与通用计算机 相比，嵌入式芯片具有体积小、重量轻、运行速度快、 便于集成、价格低、保密、工作可靠和便于大规模生 产等优点，所以适用于各种应用系统。统计资料说明， 从20世纪80年代出现这类系统以来，其所占有的市场 迅速扩大，目前已是通用计算机的几十至几百倍，而 且还在继续加大。可以预见，今后大部分信号处理系 统的开发人员在工作中所要面对的，将是这类系统
这种单片集成电路可以把一个复杂的系统集成在一个 芯片上，所以也称为芯片上的系统(System On Chip一 SOC)。在硬件结构方面的特点，它采用了很多种专 门技术，来提高信号处理的速度。例如①大多数芯片 采用定点式数据结构；②大量采用流水线结构，使芯 片在同一个时间能执行多条指令，③设计了一些专用 的硬件计算结构，如专用的乘法累加器，专用的F℉T硬 件等，④创建多机并行的接口和功能，.等等，这些 都可以提高速度。随着半导体集成电路的发展，时钟 频率的提高，执行一条乘加(MAC)指令的时间己降 低到10ns以下。软件方面则是采用专用的直接指挥芯 片内部寄存器累加器运算的汇编语言，它的运算速度 虽然快，但也带来了开发上的难度
• 这种单片集成电路可以把一个复杂的系统集成在一个 芯片上，所以也称为芯片上的系统（System On Chip— SOC）。在硬件结构方面的特点，它采用了很多种专 门技术，来提高信号处理的速度。例如① 大多数芯片 采用定点式数据结构；② 大量采用流水线结构，使芯 片在同一个时间能执行多条指令，③ 设计了一些专用 的硬件计算结构，如专用的乘法累加器，专用的FFT硬 件等，④ 创建多机并行的接口和功能，…等等，这些 都可以提高速度。随着半导体集成电路的发展，时钟 频率的提高，执行一条乘加（MAC）指令的时间已降 低到10ns以下。软件方面则是采用专用的直接指挥芯 片内部寄存器累加器运算的汇编语言，它的运算速度 虽然快，但也带来了开发上的难度
·用汇编语言写代码是底层设计，比如算一个1024点FFT, 用MATLAB只是一条语句，而运行时却要执行15000多 次乘法和加法的代码，一个应用系统需要的代码可能 多达几百万、几千万条，无论编写、调试、验证都是 非常耗时而痛苦的一件事。开发周期长、容易出错是 最大的问题。许多芯片制造商一直在不断地改进其开 发环境，已经有了从C语言到各种芯片程序代码的编译 软件。 ·MATLAB可以在概念和数学上验证用户的设计思想， 对于一个复杂的系统，我们可以写出一套MATLAB程 序，验证它的功能。但是在把这个思想付诸实现时， 却需要另外写一套汇编程序。写这样两套程序来实现 同一种功能，本身就是一种极大的负担和浪费
• 用汇编语言写代码是底层设计，比如算一个1024点FFT， 用MATLAB只是一条语句，而运行时却要执行15000多 次乘法和加法的代码，一个应用系统需要的代码可能 多达几百万、几千万条，无论编写、调试、验证都是 非常耗时而痛苦的一件事。开发周期长、容易出错是 最大的问题。许多芯片制造商一直在不断地改进其开 发环境，已经有了从C语言到各种芯片程序代码的编译 软件。 • MATLAB可以在概念和数学上验证用户的设计思想， 对于一个复杂的系统，我们可以写出一套MATLAB程 序，验证它的功能。但是在把这个思想付诸实现时， 却需要另外写一套汇编程序。写这样两套程序来实现 同一种功能，本身就是一种极大的负担和浪费
·自然而然会想到，是不是可以由顶层设计出发， 自动地向下生成代码，并且可以把仿真、检验 等功能和工具也都成套地建立起来。当然，数 学概念和代码实现两者的约束条件是不同的， 比如一个滤波器的系统函数，其实现的信号流 图就有很多种；选定了一个信号流图，它所采 用的系数的字长和阶码又可以有多种选择；再 下去还有多种芯片可以选择；.读者不难想象 到，这是一个多级的变换链，需要多种不同的 工具在不同层次上完成特定的任务
• 自然而然会想到，是不是可以由顶层设计出发， 自动地向下生成代码，并且可以把仿真、检验 等功能和工具也都成套地建立起来。当然，数 学概念和代码实现两者的约束条件是不同的， 比如一个滤波器的系统函数，其实现的信号流 图就有很多种；选定了一个信号流图，它所采 用的系数的字长和阶码又可以有多种选择；再 下去还有多种芯片可以选择；…读者不难想象 到，这是一个多级的变换链，需要多种不同的 工具在不同层次上完成特定的任务
·一个嵌入式的产品的开发大体要经过研究、系统设计、 测试与硬件实施三个大的阶段，如图10.9.1所示。研究 阶段主要是弄清产品的需求和技术指标，建立系统的 数学模型，分析采用何种算法才能完成要求的指标。 这个阶段基本上是概念设计，可以用本书所介绍的理 论和MATLAB程序及工具箱完成；第二阶段是系统设 计，这个阶段就要涉及系统的具体结构和模块划分， 例如系统中的滤波器和FFT运算器就要涉及它的信号流 图设计，并进行仿真。仿真应该考虑到实际设备，所 以应该是模块式的并且是定点运算的仿真。以 MATLAB为基础的Simulink是这个阶段的有力工具； 第三阶段是测试与硬件实施阶段，这时主要希望把 MATLAB和Simulink的程序或框图变换为标准的C语言
• 一个嵌入式的产品的开发大体要经过研究、系统设计、 测试与硬件实施三个大的阶段，如图10.9.1所示。研究 阶段主要是弄清产品的需求和技术指标，建立系统的 数学模型，分析采用何种算法才能完成要求的指标。 这个阶段基本上是概念设计，可以用本书所介绍的理 论和MATLAB程序及工具箱完成；第二阶段是系统设 计，这个阶段就要涉及系统的具体结构和模块划分， 例如系统中的滤波器和FFT运算器就要涉及它的信号流 图设计，并进行仿真。仿真应该考虑到实际设备，所 以应该是模块式的并且是定点运算的仿真。以 MATLAB为基础的Simulink是这个阶段的有力工具； 第三阶段是测试与硬件实施阶段，这时主要希望把 MATLAB和Simulink的程序或框图变换为标准的C语言
定點產品開發流程：用MathWorks的產品進行基於模型的設計 研究 系統設計 测試與硬件宣施 數據採集 數據分析、 系統建模 测試與驗證 與輸入 建模及 可視化 仿真與割分 嵌入式軟件 算法開發 環境因素 與仿真 嵌入式算法 數字硬件 數學建模 手工或 系統元件 自動代碼 生成 模擬硬件 工具箱 ·信蓝虎理 ·定點運算 ·Simulink® ·遍波器設計 ·Simulink定點支持 ·RF工具箱 ·通肌 模塊庫 ·Real-Time Workshop ·使化 ·信跳處理 ·Real-Time Workshop 工具箱 ·统 ·通飘 嵌入式辐碼器 ·數擦採集 ,符號数酶 ·RF ·嵌入式日镖 ·德器控制 ·图像理 ·視频與圆像處理 ·龍波器設HDL產生器 MATLAB
如果C向各种芯片的目标代码的自动转换软件 己经开发成功，那么从概念设计到代码生成的 变换链就无缝地实现了。 。 本书前九章所讲的内容基本上只解决了第一阶 段的任务，本章将对后两阶段所要完成的任务 及MATLAB所能提供的支持软件作一简要介绍。 10.2节介绍系统建模和仿真的软件Simulink, 后几节将介绍芯片实现中用到的软件工具。使 读者有一个总体的概念
• 如果C向各种芯片的目标代码的自动转换软件 已经开发成功，那么从概念设计到代码生成的 变换链就无缝地实现了。 • 本书前九章所讲的内容基本上只解决了第一阶 段的任务，本章将对后两阶段所要完成的任务 及MATLAB所能提供的支持软件作一简要介绍。 10.2节介绍系统建模和仿真的软件Simulink， 后几节将介绍芯片实现中用到的软件工具。使 读者有一个总体的概念
10.2.1概述 ·Simulink工具却是从底层开发的一个完整的仿真环境和 图形界面。在这个环境中，用户可以利用鼠标或键盘， 完成面向框图系统仿真的全部过程，并且可以直观、 快速和准确地达到仿真的目标。原来的MATLAB是在 文本窗口中编程，图形窗口只是用来显示，而Simulink 则可以用框图方式来编程，使MATLAB的功能有了 个质的飞跃。因此，Math Works公司往往把Simulink与 MATLAB作为并列的产品向用户推荐。 Simulink的优点是它不给出任何新的函数。对用户来说， MATLAB原有的函数仍然有效。因此，读者如果有 MATLAB的基础，除了要学一下图形界面的使用方法 之外，不需要再学新的语法，马上就会应用。这显示 了其对用户的友好性
10.2.1 概述 • Simulink工具却是从底层开发的一个完整的仿真环境和 图形界面。在这个环境中，用户可以利用鼠标或键盘， 完成面向框图系统仿真的全部过程，并且可以直观、 快速和准确地达到仿真的目标。原来的MATLAB是在 文本窗口中编程，图形窗口只是用来显示，而Simulink 则可以用框图方式来编程，使MATLAB的功能有了一 个质的飞跃。因此，MathWorks公司往往把Simulink与 MATLAB作为并列的产品向用户推荐。 • Simulink的优点是它不给出任何新的函数。对用户来说， MATLAB原有的函数仍然有效。因此，读者如果有 MATLAB的基础，除了要学一下图形界面的使用方法 之外，不需要再学新的语法，马上就会应用。这显示 了其对用户的友好性
Simulink具有的功能： (1)用方框图的绘制代替程序的编写。构成任何一个系 统框图有三个步骤，即选定典型模块，相互联接和给 定模块参数。这三步可以在同一个图形界面上用鼠标 和键盘来完成。 ·(2)仿真的建立和运行是智能化的，首先，画好了框 图并存起来，它就自动建立起了仿真的方程，其次， 在运行时用户可以只给出仿真精度，软件已会自动选 择计算的程序，使得系统仿真具有最快的速度。 ·(3)输入输出信号来源形式的多样化，其输入信号可 以是各种信号发生器；也可以是来自一个设定的记录 文件，还可以来自MATLAB的工作空间(workspace)。 输出信号则送往多种多样的观测记录设备
Simulink具有的功能： （1）用方框图的绘制代替程序的编写。构成任何一个系 统框图有三个步骤，即选定典型模块，相互联接和给 定模块参数。这三步可以在同一个图形界面上用鼠标 和键盘来完成。 • （2）仿真的建立和运行是智能化的，首先，画好了框 图并存起来，它就自动建立起了仿真的方程，其次， 在运行时用户可以只给出仿真精度，软件已会自动选 择计算的程序，使得系统仿真具有最快的速度。 • （3）输入输出信号来源形式的多样化，其输入信号可 以是各种信号发生器；也可以是来自一个设定的记录 文件，还可以来自MATLAB的工作空间（workspace）。 输出信号则送往多种多样的观测记录设备