Xilinx FFT IP v9.0 使用（一）

 reference:https://blog.csdn.net/shichaog/article/details/51189711

https://blog.csdn.net/qq_36375505/article/details/81742680 （推荐）

https://blog.csdn.net/lovewdmcwieg/article/details/79235229

https://blog.csdn.net/FPGADesigner/article/details/80694673

 

该ip用于实现N=2**m(m=3~16)点FFT的变换，

*实现的数学类型包括：

A)      定点全精度

B)      定点缩减位宽

C)      块浮点

每一级蝶型运算后舍入或者取整。对于N点运算，FFT还是逆FFT，scaling策略以及循环前缀的长度是运行时可配置的，可随帧改变，改变变换点数会复位FFT ip核。

 *有四种可选择的FFT的实现架构：

1）  PipelinedStreaming I/O

2）  Radix-4Burst I/O

3）  Radix-2Burst I/O

4） Radix-2 Lite Burst I/O

FFT ip核使用基二和基四分解法计算离散傅里叶变换 ; 对于Burst I/O architectures采用时域抽取法实现，对于Pipelined Streaming I/Oarchitecture.使用频域抽取法。当使用基四计算时，其蝶型算法的级数是log 4 (N)，每一级包括N/4的基四蝶型运算。对于点数不是4的指数情况，则需要一个额外的基二来组合数据。类似的基二实现法需要log 2 (N)级蝶型运算。对于scaling方法，其每一级的scaling因子由s_axis_config_tdata来配置。Ip核的端口如下：

 

输入输出方向在上图中已经很明显了，下面描述端口作用

名称	方向	可选择性	描述
aclk	I	NO	上升时钟沿采样
aclken	I	yes	高有效，时钟使能
aresetn	I	yes	同步低有效复位，至少需要保持两个低有效周期；
s_axis_config_tvalid	I	NO	参数配置通道，config数据有效标志
s_axis_config_tready	O	NO	参数配置通道，高状态下，config才可以再次配置
s_axis_config_tdata	I	NO	参数配置通道，包括了配置信息：CP_LEN,FWD/INV,NFFT 和SCALE_SCH
s_axis_data_tvalid	I	NO	数据输入通道，数据有效标志
s_axis_data_tready	O	NO	数据输入通道，状态准备标志
s_axis_data_tdata	I	NO	数据输入通道，数据输入；包括未处理数据：XN_RE/XN_IM
s_axis_data_tlast	I	NO	数据输入通道，外部主设备在帧的最后一个样本上断言。 除了生成事件event_tlast_unexpected和event_tlast_missing事件之外，核心不使用它
m_axis_data_tvalid	O	NO	数据输出通道，标志输出数据的有效性
m_axis_data_tready	I	NO	数据输出通道，接受外部从设备断言，表示已准备好接受数据。 仅存在于非实时模式中。
m_axis_data_tdata	O	NO	数据输出通道，包含处理后的数据：XK_RE/XK_IM
m_axis_data_tuser	O	NO	数据输出通道，携带额外的每个采样信息，例如XK_INDEX，OVFLO和BLK_EXP
m_axis_data_tlast	O	NO	数据输出通道，内核在帧的最后一个采样上断言。
m_axis_status_tvalid	O	NO	状态输出通道，提供状态有效的断言
m_axis_status_tready	I	NO	状态输出通道，外部slave断言是否准备好接收状态数据。仅存在与非实时模式中。
m_axis_status_tdata	O	NO	状态输出通道，包含了状态数据BLK_EXP/OVFLO
event_frame_started	O	NO	事件状态通道，当内核开始处理一个新帧时，内核产生断言
event_tlast_unexpected	O	NO	事件状态通道，当内核发现在非帧的最后一个采样时，出现了s_axis_data_tlast拉高，内核将产生断言
event_tlast_missing	O	NO	事件状态通道，当在帧最后一个采样时，s_axis_data_tlast没有被拉高，内核将产生断言
event_fft_overflow	O	NO	事件状态通道，在数据输出通道卸载的数据样本中看到溢出时置位。 仅在溢出是有效选项时出现。
event_data_in_channel_halt	O	NO	事件状态通道，在内核需要数据时，数据输入数据无效，内核产生断言
event_data_out_channel_halt	O	NO	事件状态通道，在内核向外写数据时，出现不能写出时，内核出现断言。仅出现在非实时模式下。
event_status_channel_halt	O	NO	事件状态通道，在内核向外写状态时，出现不能写出时，内核出现断言。仅出现在非实时模式下。

 

 

 

上面信号所有s开始的表示的是axi信号的slave端，m是master端。各信号更详细作用参考: pg109 -Fast Fourier Transform v9.0 LogiCORE IP Product Guide.pdf

 

以8点FFT示意，configure

 

 

implementtation

summary

由于xilinx自带的testbench是VHDL的，这里给出自己写的verilog版本的testbench。

 

`timescale 1ns / 1ps
 
 
module TB_fft256;
 
// Inputs
reg aclk;
reg s_axis_config_tvalid;
reg s_axis_data_tvalid;
reg s_axis_data_tlast;
reg m_axis_data_tready;
reg [15:0] s_axis_config_tdata;
reg [95: 0] s_axis_data_tdata;

// Outputs
wire s_axis_config_tready;
wire s_axis_data_tready;
wire m_axis_data_tvalid;
wire m_axis_data_tlast;
wire event_frame_started;
wire event_tlast_unexpected;
wire event_tlast_missing;
wire event_status_channel_halt;
wire event_data_in_channel_halt;
wire event_data_out_channel_halt;
wire [95 : 0] m_axis_data_tdata;
 
reg[23:0] mem0_re[0:7];
reg[23:0] mem1_re[0:7];
reg[23:0] mem2_re[0:7];
initial $readmemh("/home/gsc/FPGA_exercise/bf_verilog/stimulus0_24bit.dat",mem0_re);
initial $readmemh("/home/gsc/FPGA_exercise/bf_verilog/stimulus1_24bit.dat",mem1_re);
initial $readmemh("/home/gsc/FPGA_exercise/bf_verilog/stimulus2_24bit.dat",mem2_re);
 
 

reg[7:0] op_sample= 0;
reg      op_sample_first = 1;
reg[7:0] ip_frame=0;
reg[7:0] op_frame=0;

integer i;
// generate clk
always #5 aclk =! aclk;
 
// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
 
xfft_256 uut (
.aclk(aclk), // input wire aclk
.s_axis_config_tdata(s_axis_config_tdata), // input wire [15 : 0] s_axis_config_tdata
.s_axis_config_tvalid(s_axis_config_tvalid), // input wire s_axis_config_tvalid
.s_axis_config_tready(s_axis_config_tready), // output wire s_axis_config_tready
.s_axis_data_tdata(s_axis_data_tdata), // input wire [95 : 0] s_axis_data_tdata
.s_axis_data_tvalid(s_axis_data_tvalid), // input wire s_axis_data_tvalid
.s_axis_data_tready(s_axis_data_tready), // output wire s_axis_data_tready
.s_axis_data_tlast(s_axis_data_tlast), // input wire s_axis_data_tlast
.m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata), // output wire [95 : 0] m_axis_data_tdata
.m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid), // output wire m_axis_data_tvalid
.m_axis_data_tready(m_axis_data_tready), // input wire m_axis_data_tready
.m_axis_data_tlast(m_axis_data_tlast), // output wire m_axis_data_tlast
.event_frame_started(event_frame_started), // output wire event_frame_started
.event_tlast_unexpected(event_tlast_unexpected), // output wire event_tlast_unexpected
.event_tlast_missing(event_tlast_missing), // output wire event_tlast_missing
.event_status_channel_halt(event_status_channel_halt), // output wire event_status_channel_halt
.event_data_in_channel_halt(event_data_in_channel_halt), // output wire event_data_in_channel_halt
.event_data_out_channel_halt(event_data_out_channel_halt) // output wire event_data_out_channel_halt
);
 
 
 
initial begin
 
// Initialize Inputs
 
aclk = 0;
s_axis_config_tvalid = 0;
s_axis_config_tdata = 0;
s_axis_data_tvalid = 0;
s_axis_data_tdata = 0;
s_axis_data_tlast = 0;
m_axis_data_tready = 0;
 
// Wait 100 ns for global reset to finish
 
#150;
m_axis_data_tready = 1;
s_axis_config_tvalid = 1;
//s_axis_config_tdata = 16'b0101100101011011; // FFT desired (and not IFFT
s_axis_config_tdata = 16'b0000000000000111; // FFT desired (and not IFFT
 
//s_axis_data_tlast = 1;
s_axis_data_tdata = 96'h000000;
s_axis_data_tvalid = 0;
 

 
begin
  for(i=0;i<8;i=i+1)
    begin
      #10
      s_axis_data_tvalid <= 1;
      s_axis_data_tdata <= {{24'h000000},mem1_re[i],{24'h000000},mem0_re[i]};
      $display("mem_a[%d] = %h", i, mem0_re[i]);
      //    if(i== 256)
      //    s_axis_data_tlast <= 1;
      //    else
      //    s_axis_data_tlast <= 0;
    end
 
end

#10;
s_axis_data_tdata = 96'h000000;
s_axis_data_tvalid = 0;
#1000 $finish;
//$stop
end
endmodule

 

 

stimulus0_24bit.dat文件内容如下：

000000
000001
000002
000003
000004
000005
000006
000007

stimulus1_24bit.dat文件内容随便，这里是两个通道的FFT计算。仿真波形图如下：

 

 

MATLAB计算所得的FFT结果如下：

将FFT结果的放大后得到如下图：

MATLAB计算的结果是28，而fpga仿真结果是0x00000e为14，0xfffffe为-2；这是因为设置了scaling因子，且scaling因子是2，即28/2=14。

关于hls的实现见：

http://blog.csdn.net/shichaog/article/details/50811449