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顾董
5 years ago
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1 2015 The MathWorks, Inc. 1

2 运用 MATLAB 加速嵌入式算法开发 MathWorks China 应用工程师单博 2015 The MathWorks, Inc. 2

3 主要内容嵌入式应用仿真浮点模型转化为定点模型的工作流程自动收集数据并建议数据类型推导数据类型将定点模型自动转换为嵌入式 C 代码代码生成与优化验证 Polyspace 硬件连接国内典型用户案例分析 3

4 嵌入式系统手机 pad 家电网络设备工业控制仪器仪表医疗汽车飞机机器人物联网 GM Mass Production 4

5 嵌入式算法的设计挑战 MATLAB / SIMULINK 算法设计 FIXED-POINT DESIGNER 浮点到定点的转换设计狮定点化过程会占据总设计时间超过 25%+ MATLAB CODER SIMULINK CODER EMBEDDED CODER HDL CODER Gen Gen C/C++ VHDL/Verilog FPGA MCU ASIC DSP FPGA ASIC 5

6 What is floating-point? Characterized by SIGN bit, MANTISSA(Fraction) and EXPONENT IEEE 754 Single Precision format (Normalized): 32 bits word size(single) Use of three separate fields increases both range (Exponent size) and precision (Fraction size) of floating point numbers Above picture from 6

7 What is fixed-point? Characterized by single WORD with fixed RADIX Point Use fractional numbers without floating point For a fixed size, trade-off between Precision and Range 7

8 嵌入式目标器件 DSP/MCU (TI, Analog Devices, etc.) 定点 DSP 比浮点 DSP 便宜很多定点 DSP 的功耗更低定点 DSP 的时钟频率更高固定字长 FPGA (Xilinx, Altera, etc.) 在定点 FPGA 实现中, 字长每增加 1 个比特都意味着消耗更多的片上资源和功耗设计师可以改变字长 8

9 Example: 定点 C 手工实现 void differentialeq( void ) { /* Implements a fixed point first order difference equation */ int Prod; long Accum; static short lastval=0; short a=0x7eb8; // 0.99 in s16,15 short oneminusa=0x0148; //.01 in s16,15 short temp; 把变量转换成整形需要很多注释帮助理解代码 Prod = galg_in1 * galg_in1; temp = Prod >> 15; Accum = a*lastval + oneminusa*temp; 跟踪二进制小数点位置 galg_out1 = (short)(accum >> 15); lastval = galg_out1; } 没有饱和或取整 9

10 DSP/MCU/FPGA 上需要做的定点工作芯片做整数运算, 不是定点运算. 定点工作需要你自己做. 加减法 : 你需要对齐二进制小数点 (>> or <<), 然后相加. 乘法 : 整数相乘, 然后你解释乘积的二进制小数点. 除法 : 你很可能用不了 /. 你要自己写个函数或者调用库函数. 开方 : 不能用标准库函数, 你要自己写一个函数. 取整 / 饱和 : 你想要? 你自己做. 10

11 Fixed Point Tradeoffs Consideration Floating Point Fixed Point Fixed Point with MathWorks Tools RAM/ROM 消耗执行速度硬件功耗硬件成本开发时间实现复杂度出错率 11

12 定点的弊端及解决方案弊端 1 开发时间更长解决方案采用仿真自动化验证和自动化量化工具将会缩短开发时间和减少开发资源弊端 2 因为实现复杂经常引入错误解决方案采用快速原型, 在环测试, 产品级代码生成手段能明显地帮助减少错误弊端 3 动态范围变小引入量化误差解决方案合理的选择定标 ( 小数点位置 ) 和字长 ( 硬件限制 ) 能减少量化误差 12

13 MATLAB/Simulink 定点化工作流程已有代码 ( 浮点 ) 已有测试激励 ( 定点 ) 定点转换的准备工作 Make Project Set Input Type 收集取值范围自动建议数据类型生成定点 MATLAB 代码测试生成代码 Yes 满足需求? No 14

14 例子工作流程 : 浮点模型 -> 定点模型 -> C 仿真 vs 推导 1 打开 MATLAB Coder APP 2 使能 Fixed-point conversion 选择被测 m 文件定点转换生成 C 代码 15

例子 3 选择 testbench 文件自动识别被测文件的输入输出数据类型实现约束多形性内存分配矩阵行列处理定点数据类型 function a= foo(b,c) a = b * c; C double foo(double b, double c) { return b*c; } void foo(const double b[15], const double c[30],

15 例子 3 选择 testbench 文件自动识别被测文件的输入输出数据类型实现约束多形性内存分配矩阵行列处理定点数据类型 function a= foo(b,c) a = b * c; C double foo(double b, double c) { return b*c; } void foo(const double b[15], const double c[30], double a[18]) { int i0, i1, i2; for (i0 = 0; i0 < 3; i0++) { for (i1 = 0; i1 < 6; i1++) { a[i0 + 3 * i1] = 0.0; for (i2 = 0; i2 < 5; i2++) { a[i0 + 3 * i1] += b[i0 + 3 * i2] * c[i2 + 5 * i1]; } } } } 16

16 例子 4 定点化配置定点化模式 C 代码生成 : 固定字长自动建议小数位 HDL 代码生成 : 固定小数位自动建议字长以目标器件类型字长为 8bit 的整数倍 17

17 例子 : 用仿真结果自动建议定点类型多个测试文件批量仿真测试代码覆盖率用颜色区分测试文件 1 测试文件 2 仿真过程中记录变量的最大最小值自动推荐的定点类型, 字长是 8bit 的倍数 18

18 例子 : 推导并自动建议定点类型根据输入和程序推导得到变量的最大最小值 Not reached 19

19 例子 : 接受定点化自动生成定点转换报告自动生成定点的 m 文件用于后续系统定点仿真 20

20 例子 : 自动生成 C 代码选择目标硬件器件生成 C 源代码知识产权归客户 21

21 嵌入式算法的设计挑战 MATLAB / SIMULINK 算法设计 FIXED-POINT DESIGNER 浮点到定点的转换设计狮 MATLAB CODER SIMULINK CODER EMBEDDED CODER Gen C/C++ HDL CODER Gen VHDL/Verilog 程序猿手工编码费时手写代码失误高不易于保持 MATLAB 参考代码与 C 代码的一致性不易于在开发阶段修改需求 FPGA MCU ASIC DSP FPGA ASIC 23

用于汽车控制器的 MCUs 用于信号处理系统的 DSPs 用于消费电子的 ARMs 支持行业标准

22 嵌入式代码生成工具 Embedded Coder 从 MATLAB, Simulink, 和 Stateflow 生成 C/C++ code 针对嵌入式系统优化可配置到多种器件快速原型开发板用于汽车控制器的 MCUs 用于信号处理系统的 DSPs 用于消费电子的 ARMs 支持行业标准 DO-178, IEC 61508, ISO 26262, and EN AUTOSAR, ASAP2, and MISRA-C 24

23 主要特性用 data dictionary 管理存储类型, 类型定义, 别名针对处理器优化 ARM Cortex-A and M Intel IPP and Power Architecture SIMD Customizable for any device 支持多速率多任务多核执行, 包含或不包含 RTOS 软件在环处理器在环测试模型和代码结果比对代码剖析可集成代码覆盖率工具定制注释代码报告, 支持需求文档模型代码之间的双向跟踪 25

24 移除不需要的代码或数据支持 Removing initialization code (Optimization pane) Removing termination code (Interface pane) Removing data support (Interface pane) Disabling MAT-File Logging (Interface pane) Conditional Input Branch Execution (Optimization pane) No termination function 26

25 MATLAB /Simulink 支持目标硬件低成本硬件免费硬件支持包 Arduino Raspberry Pi LEGO NXT iphone BeagleBoard PandaBoard Gumstix Overo Microsoft Kinect Zynq TI C6000 USRP SDR irobot Create 28

26 代码验证 Polyspace C / C ++ 产品系列 Polyspace Bug Finder 快速找到嵌入式软件中的错误检查代码符合 MISRA 和 JSF 编码规则供软件工程师日常使用 Polyspace Code Prover 证明在给定的运行条件下, 那些代码是安全可靠的不需要穷举执行程序就可发现代码的运行时缺陷, 边界条件和冗余代码深度剖析代码的运行时行为和变量的数据范围证明软件内存共享的安全性采用数学分析的方法不会漏报或误报任何运行时软件缺陷 29

27 自动代码生成已成为行业趋势 User Story 30

28 通信与信号处理领域新特性新产品 Antenna Toolbox(15a) Vision HDL Toolbox(15a) LTE System Toolbox(14a) Phased Array System Toolbox(11a) 大调整 Fixed-point Designer(13a) HDL Coder(12a) Embedded Coder(11a) Communication System Toolbox(11a) DSP System Toolbox(11a) Computer Vision System Toolbox(10a) 31

HDL Implementation of LTE OFDM Modulator and Detector HDL optimized

LTE OFDM Modulator and Detector Implementation of an LTE OFDM Modulator

HDL implementation against a golden reference waveform using LTE System

29 HDL Implementation of LTE OFDM Modulator and Detector HDL optimized implementation with golden reference verification HDL Implementation of LTE OFDM Modulator and Detector Implementation of an LTE OFDM Modulator and Detector optimized for HDL code generation Verification of transmitter HDL implementation against a golden reference waveform using LTE System Toolbox Initial receiver detection and synchronization stages implemented in HDL coder 32

30 阵列信号处理 Radar tracking Automotive Adaptive Cruise Control 33

31 图像处理多目标跟踪模式匹配物体分割相机校准 APP 人脸识别与跟踪 34

PowerPoint Presentation

PowerPoint Presentation 快速 FPGA / ASIC 原型设计与验证单博信号处理应用工程师 MathWorks 中国 1 实际案例 HDL 代码自动生成, 并在 Xilinx 开发板运行 2 日程介绍使用基于模型的设计方法进行 FPGA 设计实际案例音频均衡器定点化模型 HDL 代码自动生成速度和面积优化验证 : HDL 联合仿真和 FPGA 在环仿真总结 3 基于模型的设计 (model based design):