信號(hào)與信息處理綜合實(shí)驗(yàn)FPGA實(shí)驗(yàn)三報(bào)告-FFT

1、信息與通信工程學(xué)院信號(hào)與信息處理綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告（FPGA部分）班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：序號(hào)：實(shí)驗(yàn)三 用FPGA實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 掌握Xilinx ISE中IP Core的使用方法；（2） 初步掌握Xilinx 公司的FFT IPCore的使用方法；（3） 比較DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)FFT的異同。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書所給出的步驟，用Xilinx IP Core實(shí)現(xiàn)256點(diǎn)的FFT并進(jìn)行仿真和測(cè)試。（2）將所給出的例子改寫為512點(diǎn)的IFFT并進(jìn)行仿真和測(cè)試。 三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程說(shuō)明1、 Xilinx FFT IPcore使用說(shuō)明在Xilinx公司的IPCore中，提供兩不同的架

2、構(gòu)：Burst I/O架構(gòu)和Streaming I/O流水線架構(gòu)。所謂的Burst I/O是指數(shù)據(jù)的輸入和輸出都是突發(fā)的，即輸入輸出是一段一段的而不是連續(xù)的；所謂的Streaming I/O流水線架構(gòu)則是指輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)都是以一定的頻率連續(xù)不斷地進(jìn)行的。Burst I/O 架構(gòu)下，采用的是時(shí)間抽?。―IT）方法，而 在Streaming I/O流水線架構(gòu)下采用的是頻率抽?。―IF）方法。當(dāng)采用基4分解時(shí)，N點(diǎn)FFT共需log4 (N) 級(jí)，每一級(jí)包含N/4個(gè)基4的蝶形圖，如果點(diǎn)數(shù)N不是4的冪次，則還需要另外一個(gè)基2的級(jí)。如果采用基2的分解，則共有l(wèi)og2 (N)級(jí)，每一級(jí)包含N/2個(gè)基2蝶

3、形。IFFT通過(guò)將對(duì)應(yīng)的FFT的相位因子取共軛實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)以Streaming I/O流水線架構(gòu)為例學(xué)習(xí)Xilinx FFT IPcore的使用方法。Streaming I/O流水線架構(gòu)示意圖如下圖所示。這種架構(gòu)將多個(gè)基2的蝶形處理單元排成流水線形式以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)處理，每個(gè)處理單元有它自己的存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)輸入和中間數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可以連續(xù)輸入到流水線的前級(jí)，經(jīng)過(guò)一段計(jì)算時(shí)延，從輸出端連續(xù)輸出一個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，這種架構(gòu)也允許在數(shù)據(jù)塊之間添加一段時(shí)間的間隔。在scaled fixed-point模式下，數(shù)據(jù)在每進(jìn)行一對(duì)基2級(jí)之后都會(huì)進(jìn)行一次移位，移位次數(shù)可以事先根據(jù)輸入數(shù)據(jù)范圍確定。除了這

4、種模式外，IP core還提供一種塊浮點(diǎn)模式用于改善性能。輸出數(shù)據(jù)可以以比特逆序輸出，也可以自然序輸出，當(dāng)采用自然序輸出時(shí)，需要用到額外的存儲(chǔ)資源。與streaming I/O架構(gòu)不同，Burst I/O以一組蝶形計(jì)算單元完成所有運(yùn)算，其中基4的Burst I/O架構(gòu)示意圖如下圖所示。在這種架構(gòu)下，輸入數(shù)據(jù)分為4塊存儲(chǔ)到RAM中，每計(jì)算一次蝶形運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果仍然存儲(chǔ)到這4塊RAM中，直至最后輸出。在這種架構(gòu)下，數(shù)據(jù)不能連續(xù)輸入，整個(gè)IPcore的工作狀態(tài)分為數(shù)據(jù)輸入、處理和輸出等不同的狀態(tài)。顯然，這種架構(gòu)占用資源量明顯少于Streaming I/O結(jié)構(gòu)，但是處理數(shù)據(jù)的吞吐量有限。在不同的配置下

5、，IPcore對(duì)外的接口有一些差別，下面僅對(duì)在本實(shí)驗(yàn)中將要用到的部分端口的功能做以下說(shuō)明：端口名位寬方向描述Xn_re可配輸入輸入數(shù)據(jù)實(shí)部，與xn_index對(duì)應(yīng)Xn_im可配輸入輸入數(shù)據(jù)虛部start1輸入啟動(dòng)控制信號(hào)，拉高則FFT開始加載數(shù)據(jù)，可一直置高，此時(shí)由IP core的狀態(tài)控制加載Fwd_inv1輸入1表示FFT，0表示IFFTScale_sch在不同模式下位寬不同，在Streaming I/O模式下，輸入各級(jí)移位次數(shù)Sclr1輸入同步復(fù)位信號(hào)Clk1輸入工作時(shí)鐘Xk_re可配，scaled模式下同Xn_re輸入輸入數(shù)據(jù)實(shí)部，與xn_index對(duì)應(yīng)Xk_im同上輸入輸入數(shù)據(jù)虛部Xn

6、_index與點(diǎn)數(shù)有關(guān)輸出Xn所對(duì)應(yīng)的序號(hào)Xk_index與點(diǎn)數(shù)有關(guān)輸出Xk所對(duì)應(yīng)的序號(hào)RFD1輸出加載數(shù)據(jù)階段為高Dv1輸出輸出數(shù)據(jù)時(shí)為高2、 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 新建工程；（2） 新建FFT IPcore。 命名為fft256，在IP列表中選擇Digital signal processing->transforms->FFTs，選擇7.1版本，點(diǎn)擊Next，然后點(diǎn)擊finish；（3） 在按以下截圖下設(shè)置參數(shù)，然后點(diǎn)擊Next（4） 在第2個(gè)頁(yè)面上按下圖設(shè)置，其含義分別為：定點(diǎn)格式；輸入數(shù)據(jù)位寬16比特，相位因子16比特、Scaling選項(xiàng)選擇scaled，截取模式選擇trunc

7、ation、添加同步復(fù)位sclr控制管腳、輸出自然順序，輸入數(shù)據(jù)時(shí)序3 clock cycle offset選項(xiàng)。點(diǎn)擊Next，進(jìn)入第3頁(yè)面（5） 第3頁(yè)面上，選擇Number of Stages using block ram為3，點(diǎn)擊Generate生成IPcore。（6） 新建block RAM IPcore，取名為input_rom_I；（7） 在第2頁(yè)面上選擇單口ROM，其他選項(xiàng)保持不變；（8） 第3頁(yè)面設(shè)置如下圖，注意選擇use ENA pin選項(xiàng)；（9）第4頁(yè)面上，選擇下圖中所示的兩個(gè)寄存器選項(xiàng)；（10）選擇壓縮包中的input_I.coe作為該ROM的初始化文件；其他選項(xiàng)保持默

8、認(rèn)值，點(diǎn)擊Generate；（11）再按照上述步驟生成一個(gè)ROM，選擇壓縮包中的input_Q.coe文件作為初始化文件；（12）將壓縮包中的fft_top.v，fft_ctrl.v添加到工程中；（13）為fft_top.v編寫測(cè)試文件，可參閱壓縮包中的test_fft.v，注意理解程序中文件輸出部分的功能；（14）對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行功能仿真，記錄仿真波形，并分析Streaming I/O架構(gòu)下256點(diǎn)FFT的計(jì)算時(shí)延；（15）使用Chipcope對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行在板測(cè)試，觀察xn_index、xn_im、xn_re、xk_im、xk_re、xk_index的相對(duì)時(shí)序關(guān)系，觸發(fā)條件可以xk_index、

9、out_block_index或rd_block_index、xn_index取某一具體數(shù)值開始觸發(fā)采數(shù)操作。（16）去掉cdc文件，在布局布線報(bào)告中找到Device Utilization Summary部分，觀察FFT部分的資源占用情況。（17）比較DSP實(shí)現(xiàn)FFT與FPGA實(shí)現(xiàn)FFT的異同。（18）（擴(kuò)展功能）修改FFT點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)，重新進(jìn)行完成上述流程；（19）（擴(kuò)展功能）將FFT IPcore改為Radix-4 Burst I/O架構(gòu)，重新完成上述過(guò)程（注意，此時(shí)需要uload信號(hào)，直接在ctrl模塊里置1即可），并對(duì)streaming I/O方式的時(shí)延、吞吐量以及資源占用情況進(jìn)

10、行比較。四、實(shí)驗(yàn)代碼分析程序模塊描述：本次實(shí)驗(yàn)里涉及了三個(gè)程序，第一個(gè)是原始程序，另外兩個(gè)是對(duì)原始程序作簡(jiǎn)單修改后的功能拓展，基本是類似的。以下只對(duì)原始程序作較為詳細(xì)的說(shuō)明，而功能拓展只簡(jiǎn)單說(shuō)明修改的情況。本次實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)FPGA IPCore實(shí)現(xiàn)。所謂IP Core就是預(yù)先設(shè)計(jì)好、經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試和優(yōu)化后的電路功能模塊。它猶如一個(gè)黑盒子，用戶只需要配置好其相關(guān)接口并在頂層文件中將其實(shí)例化即可，但是它本質(zhì)上也是一個(gè)ISE工程文件，存儲(chǔ)在設(shè)計(jì)工程的ipcore_dir目錄下，由于其代碼本身過(guò)于復(fù)雜且本次實(shí)驗(yàn)中基本不涉及，因此下面不作介紹。本次實(shí)驗(yàn)全部采用以下兩種IP核：Fast Fourier Tr

11、ansform（FFT）和Block Memory Generator。1、256點(diǎn)FFT（Streaming I/O）：（1）源程序（IP Core）：FFT核核名：fft256；架構(gòu)：Streaming I/O（流水線）；其它參數(shù)：工作頻率100MHz，定點(diǎn)格式，輸入數(shù)據(jù)位寬和相位因子位寬均為16比特，需要縮放，向下截取，順序輸出，添加同步復(fù)位sclr控制管腳，輸入數(shù)據(jù)延遲3時(shí)鐘周期等。調(diào)用該IP Core的控制信號(hào)將在介紹頂層文件時(shí)說(shuō)明。存儲(chǔ)器核全稱：Block Memory Generator，可直譯為塊存儲(chǔ)器生成器，可以生成任意大小的存儲(chǔ)器陣列并可以針對(duì)速度或功率對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。本次實(shí)

12、驗(yàn)使用它來(lái)生成存儲(chǔ)器陣列，用于存儲(chǔ)輸入數(shù)據(jù)。由于輸入數(shù)據(jù)（復(fù)數(shù)）的實(shí)部和虛部使用兩個(gè)幾乎完全相同的IP核，因此主要介紹實(shí)部使用的核，虛部使用的核若采用不同參數(shù)會(huì)在括號(hào)里注明。核名：input_rom_I（input_rom_Q）；存儲(chǔ)器類型：?jiǎn)慰赗OM；讀取數(shù)據(jù)位寬：16位；讀取數(shù)據(jù)深度（個(gè)數(shù)）：1024；使用的初始化文件：input_I.coe(input_Q.coe)，存儲(chǔ)了1024個(gè)16位數(shù)，表示輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部（虛部）；使用使能管腳。（2）頂層文件（fft_top.v）及控制文件（fft_ctrl.v）：重要的組成部分，對(duì)于工程的正確運(yùn)行是必需的，其中頂層文件完成控制信號(hào)的聲明，部分信號(hào)

13、（主要為恒定信號(hào)）的賦值，接受來(lái)自控制文件的信號(hào)，利用信號(hào)實(shí)例化和調(diào)用所有IP核的任務(wù)，而控制信號(hào)則主要根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘及相關(guān)觸發(fā)條件對(duì)控制信號(hào)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行賦值，并將其結(jié)果返回給頂層文件。這兩個(gè)文件的主要工作都是對(duì)相關(guān)控制信號(hào)進(jìn)行處理，下面介紹這些控制信號(hào)及它們?cè)谙嚓P(guān)文件中是如何被處理的，通過(guò)這些基本就可了解這兩個(gè)文件的內(nèi)容。a. 輸入（控制）信號(hào)：這里都是IP核的輸入信號(hào)，需要在頂層文件或控制文件中對(duì)其初始化或賦值。FFT核控制（輸入）信號(hào)：XN_RE和XN_IM：輸入操作數(shù)，分別代表實(shí)部和虛部，位寬為16位，表明實(shí)部和虛部都是16位。頂層文件中還包含32位的XN和XK信號(hào)也用來(lái)表示操作數(shù)，高

14、16位表示實(shí)部，低16位表示虛部；START：FFT開始信號(hào)，高有效，表明開始輸入數(shù)據(jù)?？刂莆募性谝婚_始把它置為1，但對(duì)于Streaming I/O結(jié)構(gòu)而言，任何時(shí)候置1都可以開始數(shù)據(jù)的加載；FWD_INV：指示IP Core是FFT還是IFFT，頂層文件中把它置1表明是FFT運(yùn)算；FWD_INV_WE：FWD_INV端口的使能信號(hào)，由于這里自始至終都是進(jìn)行FFT運(yùn)算，因此頂層文件中把它置0表明FWD_INV信號(hào)不再變化；SCALE_SCH：若選擇在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行縮放則需要此信號(hào)，流水線結(jié)構(gòu)中，將每個(gè)基2的蝶形處理單元視為一個(gè)階段，每個(gè)階段進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的縮減，縮減的比例以此輸入中對(duì)應(yīng)階段的兩

15、比特表示；SCALE_SCH_WE：SCALE_SCH的使能信號(hào)，這里同樣置0表示SCALE_SCH不再變化；SCLR：FFT核同步復(fù)位信號(hào)，高有效，控制文件中置其為0表明不需要復(fù)位；CLK：輸入時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中由FPGA板產(chǎn)生；XK_RE及XK_IM：輸出的數(shù)據(jù)（補(bǔ)碼形式），兩個(gè)信號(hào)分別代表實(shí)部和虛部，實(shí)驗(yàn)中采用了縮放，因此這兩個(gè)信號(hào)位寬和輸入數(shù)據(jù)是相同的，都是16，輸出的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在XK中；XN_INDEX：輸入數(shù)據(jù)的下標(biāo)，位寬等于以2為底FFT點(diǎn)數(shù)的對(duì)數(shù)，對(duì)于256點(diǎn)FFT而言是8位；XK_INDEX：輸出數(shù)據(jù)的下標(biāo)，位寬與XN_INDEX相同；存儲(chǔ)器核控制（輸入）信號(hào)：本次實(shí)驗(yàn)中僅使用

16、了端口A，下面的信號(hào)都是針對(duì)它的。CLKA：端口A使用的時(shí)鐘信號(hào)，這里和CLK是相同的；ENA：端口A的使能信號(hào)，啟用相關(guān)讀寫和復(fù)位操作，這里直接使用頂層文件中的RD_EN（讀使能）信號(hào)；ADDRA：該信號(hào)把相關(guān)地址賦給A端口以用于讀寫操作，這里直接使用頂層文件中的RD_ADDR信號(hào)（10位）；b. 輸出（狀態(tài)）信號(hào)：這些都是IP核的輸出信號(hào)以表明工作狀態(tài)，頂層文件和控制文件不需要對(duì)它們進(jìn)行修改，但在調(diào)用IP核時(shí)仍需要聲明它們，在仿真時(shí)通過(guò)觀察這些信號(hào)的狀態(tài)可以獲得很多有用信息。RFD（Ready for data）：FFT核輸出信號(hào)，當(dāng)其為高時(shí)表明FFT核正在加載數(shù)據(jù)，當(dāng)其由低變高時(shí)表明FF

17、T核已經(jīng)轉(zhuǎn)備好接收數(shù)據(jù)；BUSY：FFT核輸出信號(hào)，當(dāng)其為高時(shí)表明FFT正在計(jì)算中；DV：FFT核輸出信號(hào)，當(dāng)其為高時(shí)表明當(dāng)前輸出端口存在有效數(shù)據(jù)；EDONE：FFT核輸出信號(hào)，即將完成，在DONE之前一個(gè)周期給出高電平；DONE：FFT核輸出信號(hào)，當(dāng)其為高時(shí)表明FFT已經(jīng)計(jì)算完成，但高電平只持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期；DOUTA：存儲(chǔ)器核輸出信號(hào)，返回讀操作中得到的數(shù)據(jù)，這里它用來(lái)返回從input_i.coe或input_q.coe文件中的數(shù)據(jù)，因此位寬為16，返回的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在XN中；c. 其它信號(hào)：這里的信號(hào)和IP核無(wú)關(guān)，僅用在控制文件和頂層文件中，用于傳遞參數(shù)或顯示相關(guān)狀態(tài)，其中XN和XK信號(hào)前面

18、已有描述，這里不再重復(fù)。RESET：控制文件信號(hào)，在頂層文件中為RST，來(lái)源為FPGA板，當(dāng)其為高電平時(shí)，塊序號(hào)清零（下面會(huì)介紹），注意FFT核也有一個(gè)控制信號(hào)RESET，但是和這里介紹的無(wú)關(guān)，頂層文件實(shí)例化FFT核時(shí)沒(méi)有使用RESET信號(hào)；RD_EN：從ROM中讀取數(shù)據(jù)的使能信號(hào)，這里直接使用FFT核的RFD信號(hào)，即：一旦FFT核已經(jīng)準(zhǔn)備好或正在接收數(shù)據(jù)，就讀取新數(shù)據(jù)；WR_EN：往RAM里寫數(shù)據(jù)的使能信號(hào)，這里直接使用FFT核的DV信號(hào)，即：一旦FFT核開始輸出有效數(shù)據(jù)，就開始寫入這些數(shù)據(jù)；RD_ADDR：讀取數(shù)據(jù)的地址，10位（表示1024個(gè)數(shù)），在這里由2位塊序號(hào)和8位輸入數(shù)據(jù)序號(hào)組成

19、，見(jiàn)下面的相關(guān)說(shuō)明；RD_BLOCK_INDEX：表示數(shù)據(jù)塊的序號(hào)，讀操作用，2位，可表示4個(gè)ROM塊，由于輸入數(shù)據(jù)有1024個(gè)，而輸入序號(hào)XN_INDEX和XK_INDEX都是8位，最多表示256個(gè)數(shù)，因此需要4個(gè)ROM塊來(lái)管理所有輸入數(shù)據(jù)，每個(gè)塊存儲(chǔ)256個(gè)數(shù)，控制文件中，當(dāng)數(shù)據(jù)序號(hào)達(dá)到255（即已有256個(gè)數(shù)據(jù)）時(shí)，該信號(hào)加一表明開始啟用下一個(gè)ROM塊，塊序號(hào)（2位）和輸入序號(hào)（8位）共同組成RD_ADDR信號(hào)指示數(shù)據(jù)地址；OUT_BLOCK_INDEX：表示數(shù)據(jù)塊的序號(hào)，寫操作用，2位，和RD_BLOCK_INDEX性質(zhì)相同；OUTPUT_RE：輸出數(shù)據(jù)的實(shí)部，16位，直接使用XK的高

20、16位；OUTPUT_IM：輸出數(shù)據(jù)的虛部，16位，直接使用XK的低16位；（3）測(cè)試文件（test_fft.v）：該文件對(duì)于工程的正常運(yùn)行不是必需的，它僅用在Modelsim仿真中，也是通過(guò)相關(guān)信號(hào)的處理來(lái)構(gòu)建仿真環(huán)境，以下簡(jiǎn)要介紹它的工作流程（其中所有信號(hào)都將送給頂層文件）。打開（或創(chuàng)建）文件output_data.txt，對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句語(yǔ)句為“fp = $fopen("output_data.txt")”；開始置寫使能（WF_en）信號(hào)為高，計(jì)數(shù)器（counter）為0；產(chǎn)生周期為10ns時(shí)鐘信號(hào)CLK，并向頂層文件中輸出，作為系統(tǒng)時(shí)鐘；在每一個(gè)時(shí)鐘的上升沿，若FFT核輸

21、出的DV為高電平（表明數(shù)據(jù)有效），則向文件output_data.txt中寫入輸出的有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源自頂層文件的OUTPUT_RE和OUTPUT_IM，將被轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，寫入文件的語(yǔ)句為“$fdisplay(fp, "%d %d", output_re, output_im)”，寫入數(shù)據(jù)的形式為無(wú)符號(hào)十進(jìn)制數(shù)，同時(shí)計(jì)數(shù)器值加1；若計(jì)數(shù)器值變?yōu)?023，即已寫入了1024個(gè)數(shù)，則置寫使能信號(hào)為低，停止寫入。以上流程結(jié)束后，在Modelsim中顯示波形的同時(shí)，工程目錄下將多出一個(gè)output_data.txt文件，存儲(chǔ)了一次 FFT運(yùn)算的結(jié)果。若延長(zhǎng)仿真時(shí)間，則FFT核還會(huì)輸出

22、相同的數(shù)據(jù)，但它們將不會(huì)被寫入文件中。2、1024點(diǎn)FFT（Streaming I/O）：這是源程序的功能拓展，基本內(nèi)容和源程序是相同的，以下只說(shuō)明需要修改的地方。在FFT核設(shè)置的第一頁(yè)，把點(diǎn)數(shù)改成1024，其它設(shè)置無(wú)需改動(dòng)，改完后需要重新生成IP核；XN_INDEX和XK_INDEX位寬是以2為底FFT點(diǎn)數(shù)的對(duì)數(shù)，因此對(duì)于1024點(diǎn)數(shù)FFT來(lái)說(shuō)應(yīng)從8位改成10位；SCALE_SCH信號(hào)的位寬為2×log2NFFT2，其中NFFT為FFT點(diǎn)數(shù)，因此對(duì)于1024點(diǎn)FFT來(lái)說(shuō)應(yīng)改為10位，這里按照XILINX官方說(shuō)明文件（見(jiàn)下面截圖）的內(nèi)容將其改為；（對(duì)于SCALE_SCH的取值，XIL

23、INX官方文件也給出了其它方案，下面給出另一個(gè)截圖，這段敘述給出了SCALE_SCH的意義所在，即每?jī)蓚€(gè)比特對(duì)應(yīng)輸入中某階段即每個(gè)蝶形運(yùn)算的壓縮比例。按照這段內(nèi)容的說(shuō)法，若將SCALE_SCH改成可以完全避免數(shù)據(jù)溢出的情況，但是由于時(shí)間所限我沒(méi)有進(jìn)行測(cè)試。）對(duì)于上面的256點(diǎn)FFT而言，由于XN_INDEX和XK_INDEX都是8位，最多表示256個(gè)數(shù)，而輸入的卻有1024個(gè)，因此前面需要添加兩位塊序號(hào)，使用4塊ROM進(jìn)行管理，而對(duì)于1024點(diǎn)FFT來(lái)說(shuō)，XN_INDEX和XK_INDEX都是10位，不需要使用塊序號(hào)進(jìn)行管理，也就是說(shuō)RD_BLOCK_INDEX和OUT_BLOCK_INDEX

24、已經(jīng)沒(méi)有存在的意義，需要去掉或者屏蔽掉它們，按照以下方法即可實(shí)現(xiàn)： 把語(yǔ)句“assign rd_addr = rd_block_index, xn_index”改成“assign rd_addr = xn_index”（必要步驟），然后刪掉RD_BLOCK_INDEX和OUT_BLOCK_INDEX的聲明語(yǔ)句和調(diào)用語(yǔ)句（不是必要的步驟）。 3、256點(diǎn)FFT（Radix-4，Burst I/O）這是源程序的功能拓展，基本內(nèi)容和源程序是相同的，以下只說(shuō)明需要修改的地方。在FFT核設(shè)置的第一頁(yè)，把類型改成“Radix-4, Burst I/O”，其它設(shè)置無(wú)需改動(dòng)，改完后需要重新生成IP核；添加UN

25、LOAD信號(hào)（實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上把它錯(cuò)打成了“uload”），它僅用在Burst I/O結(jié)構(gòu)的FFT核中，表示將開始輸出處理的結(jié)果，添加的具體方法如下：在頂層文件實(shí)例化FFT核模塊和控制文件模塊加入語(yǔ)句“.unload(unload),”；控制文件中加入語(yǔ)句“assign unload = 1;”，模塊聲明（module fft_ctrl）部分加入“output unload,”，表明該信號(hào)的值將從控制文件傳遞到頂層文件中。以上功能拓展，若要進(jìn)行Chipscope在板調(diào)試，還要對(duì)CDC文件和UCF文件進(jìn)行修改，但我這次只進(jìn)行了Modelsim的仿真，因此無(wú)法給出CDC文件和UCF文件的修改方案。五、

26、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1. 256點(diǎn)FFT的modelsim仿真：仿真可大致分為4個(gè)階段： 第一階段，模擬實(shí)際系統(tǒng)的初始化，除了打開或創(chuàng)建用于寫入結(jié)果的文件output_data.txt外不進(jìn)行任何操作； 第二階段，系統(tǒng)開始工作，開始會(huì)有一個(gè)短暫的重置時(shí)間（RST信號(hào)為0），這時(shí)清空塊序號(hào)OUT_BLOCK_INDEX和RD_BLOCK_INDEX，這段時(shí)間里RFD信號(hào)也變?yōu)楦弑硎綟FT核已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，重置過(guò)后正式開始FFT計(jì)算，這段時(shí)間雖然系統(tǒng)暫時(shí)不會(huì)有任何輸出，但從RD_BLOCK_INDEX的變化上可以看出數(shù)據(jù)已經(jīng)開始加載，每加載256個(gè)輸入數(shù)值該信號(hào)會(huì)加1； 第三階段，開始輸出有效數(shù)據(jù)，D

27、V信號(hào)變?yōu)楦?，此時(shí)OUTPUT_RE和OUTPUT_IM開始輸出計(jì)算結(jié)果，由于WF_en信號(hào)為高電平，結(jié)果也被寫入文件中，為確保只寫入一次計(jì)算結(jié)果計(jì)數(shù)器COUNTER也將開始工作，這段時(shí)間里，每輸出256個(gè)數(shù)據(jù)，OUT_BLOCK_INDEX信號(hào)都將加1； 第四階段，一次FFT結(jié)果已經(jīng)全部寫入文件，計(jì)數(shù)器值變?yōu)?023，此時(shí)置WF_en為0停止寫入，計(jì)算器也清零停止工作，但是數(shù)據(jù)的加載沒(méi)有結(jié)束，F(xiàn)FT還將重復(fù)輸出前面的結(jié)果，DV信號(hào)仍為高電平，以后無(wú)論怎樣延長(zhǎng)仿真時(shí)間，都將停留在這個(gè)階段，即只輸出FFT結(jié)果但不寫入文件的階段。結(jié)果見(jiàn)下圖：仿真完成后output_data.txt的內(nèi)容，默認(rèn)為按

28、2進(jìn)制顯示，將其改為按無(wú)符號(hào)數(shù)顯示時(shí)，可以看到輸出的結(jié)果已經(jīng)寫入到文件中，且寫入形式為無(wú)符號(hào)數(shù)。若將輸出的信號(hào)改為有符號(hào)數(shù)，則與老師給的output.txt文件內(nèi)容對(duì)應(yīng)，當(dāng)然，這里只是改變了顯示的形式，實(shí)際處理和寫入時(shí)仍按照無(wú)符號(hào)數(shù)進(jìn)行。計(jì)算延時(shí)：這段時(shí)間嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)該是從數(shù)據(jù)開始輸入（加載）到第一個(gè)有效數(shù)據(jù)輸出這段時(shí)間，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可以判斷，延時(shí)為6094737ps。2.256點(diǎn)FFT的Chipscope測(cè)試波形分析：以下先介紹我的Chipscope內(nèi)核定義文件是如何設(shè)置的。Trigger Parameters選項(xiàng)卡里，Trigger Ports設(shè)為1，Trigger Width設(shè)為20，即1

29、個(gè)觸發(fā)源，里面包含20個(gè)觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)至少應(yīng)為10個(gè)，另外更好的設(shè)置方案是設(shè)置2個(gè)觸發(fā)源，每個(gè)觸發(fā)源設(shè)置10個(gè)信號(hào)，具體下面會(huì)說(shuō)明；Capture Parameters選項(xiàng)卡里，去掉Data Same As Trigger選項(xiàng)，設(shè)置Data Width為113，即113個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)；Net Connections選項(xiàng)卡里，按下設(shè)置信號(hào)連接：Clock Signals里設(shè)置時(shí)鐘源為fft_top模塊下的clk_BUFGP；Trigger Signals里設(shè)置觸發(fā)源為fft_top模塊下的ctrl_inst/out_block_index（2位），ctrl_inst/rd_block_index

30、（2位），xk_index（8位）和xn_index（8位），共20個(gè)觸發(fā)信號(hào)（更好的設(shè)置方案是設(shè)置兩個(gè)觸發(fā)源，一個(gè)觸發(fā)源包含out_block_index和xk_index共10位信號(hào)，另一個(gè)包含rd_block_index和xn_index共10位信號(hào)，最小的設(shè)置方案是至少設(shè)置以上任何一個(gè)觸發(fā)源，否則采集的數(shù)據(jù)會(huì)不正確）；Data Signals共包含113個(gè)信號(hào)，分別是fft_top下的output_re（16位）、output_im（16位）、xn_index（8位）和xk_index（8位），fft_inst下的xn_re（16位）、xn_im（16位）、xk_re（16位）、xk_

31、im（16位）和dv信號(hào)（1位）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：可以看到圖中數(shù)據(jù)與理論值一致 要獲得圖中的顯示結(jié)果，需把所有數(shù)值按無(wú)符號(hào)數(shù)顯示，另外若output信號(hào)展開后序號(hào)從高到低，需要反轉(zhuǎn)這個(gè)顯示順序，改成序號(hào)從低到高。 如果運(yùn)行正確的話，output信號(hào)輸出的數(shù)據(jù)在output_data.txt可以查找到，若output信號(hào)是按有符號(hào)數(shù)顯示的，則數(shù)據(jù)可以在output.txt中可以查找到，和Modelsim仿真類似，說(shuō)明了Chipscope仿真和Modelsim仿真獲得的計(jì)算結(jié)果是相同的，這里不再給出對(duì)應(yīng)的截圖。要說(shuō)明的是，Chipscope仿真不產(chǎn)生結(jié)果文件，欲比較結(jié)果需要事先執(zhí)行Modelsim仿

32、真。3. 去掉cdc文件，在布局布線報(bào)告中找到Device Utilization Summary部分，觀察FFT部分的資源占用情況：結(jié)果如下：4.1024點(diǎn)FFT的modelsim仿真：結(jié)果如下圖：可以看到波形和256點(diǎn)FFT差不多，數(shù)據(jù)也和理論值相符。可見(jiàn)延時(shí)為21585100ps，可以看到比之前的256點(diǎn)FFT的延時(shí)長(zhǎng)很多。5. 256點(diǎn)FFT（Radix-4，Burst I/O）：將FFT IPcore改為Radix-4 Burst I/O架構(gòu)，重新完成上述過(guò)程，并對(duì)streaming I/O方式的時(shí)延、吞吐量以及資源占用情況進(jìn)行比較。結(jié)果如下圖：在DV數(shù)據(jù)有效信號(hào)為1前就輸出了四組數(shù)

33、據(jù)，這種現(xiàn)象是正常的。在Burst I/O架構(gòu)下，輸入數(shù)據(jù)分為4塊存儲(chǔ)到RAM中，每計(jì)算一次蝶形運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果仍然存儲(chǔ)到這4塊RAM中，直至最后輸出。在這種架構(gòu)下，數(shù)據(jù)不能連續(xù)輸入，整個(gè)IPcore的工作狀態(tài)分為數(shù)據(jù)輸入、處理和輸出等不同的狀態(tài)。整個(gè)仿真中，包含了4次把計(jì)算出的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM又讀出的過(guò)程，才會(huì)出現(xiàn)這種情況。雖然輸出了四組數(shù)據(jù)，但FFT核判定這些數(shù)據(jù)都不是有效的，DV信號(hào)保持為0，因此它們也不會(huì)被寫入文件中。如果延長(zhǎng)仿真時(shí)間，這種現(xiàn)象會(huì)一再出現(xiàn)。圖中可以看出延時(shí)大約為6070000左右，和原程序的結(jié)果差不多。一般來(lái)說(shuō)，采用基4算法速度應(yīng)該快于基2算法，這里計(jì)算時(shí)間沒(méi)有大幅縮

34、短的原因是采用了Burst I/O結(jié)構(gòu)，不能處理連續(xù)數(shù)據(jù)，處理時(shí)間較長(zhǎng)。資源占用情況見(jiàn)下表：Device Utilization Summary-Slice Logic UtilizationUsedAvailableUtilizationNote(s)Number of Slice Registers2,57511,44022%     Number used as Flip Flops2,575       Number used as Latches0 

35、60;     Number used as Latch-thrus0       Number used as AND/OR logics0   Number of Slice LUTs1,6275,72028%     Number used as logic1,2005,72020%         N

36、umber using O6 output only517           Number using O5 output only22           Number using O5 and O6661           Number used as ROM0

37、       Number used as Memory3361,44023%         Number used as Dual Port RAM0           Number used as Single Port RAM0       

38、0;   Number used as Shift Register336               Number using O6 output only53               Number using O5 output only0  

39、;             Number using O5 and O6283       Number used exclusively as route-thrus91           Number with same-slice register load82 

40、0;         Number with same-slice carry load9           Number with other load0   Number of occupied Slices6621,43046% Number of LUT Flip Flop pairs used2,002   

41、0;   Number with an unused Flip Flop872,0024%     Number with an unused LUT3752,00218%     Number of fully used LUT-FF pairs1,5402,00276%     Number of unique control sets29      &

42、#160;Number of slice register sites lost        to control set restrictions15011,4401% Number of bonded IOBs3710236%     Number of LOCed IOBs223759% Number of RAMB16BWERs2326% Number of RAMB8BWERs5647% Number of BUF

43、IO2/BUFIO2_2CLKs0320% Number of BUFIO2FB/BUFIO2FB_2CLKs0320% Number of BUFG/BUFGMUXs1166%     Number used as BUFGs1       Number used as BUFGMUX0   Number of DCM/DCM_CLKGENs040% Number of ILOGIC2/ISERDES2s02000

44、% Number of IODELAY2/IODRP2/IODRP2_MCBs02000% Number of OLOGIC2/OSERDES2s02000% Number of BSCANs040% Number of BUFHs01280% Number of BUFPLLs080% Number of BUFPLL_MCBs040% Number of DSP48A1s121675% Number of ICAPs010% Number of MCBs020% Number of PCILOGICSEs020% Number of PLL_ADVs020% Number of PMVs010% Number of STARTUPs010% Number of SUSPEND_SYNCs010%