引言在数字信号处理、通信系统和电机控制中经常需要实现三角函数的计算、极坐标与直角坐标的相互转换以及反正切atan2运算。Xilinx Vivado 提供的CORDIC IP 核Coordinate Rotation Digital Computer能够高效地在 FPGA 上完成这些功能且资源消耗低、精度可控。本文将介绍一个极简的 CORDIC 顶层模块tops它封装了 Xilinx CORDIC IP将复杂的 AXI4-Stream 接口简化为一个 16 位有符号输入、16 位有符号输出的模块并提供一个带复位和渐进激励的 Testbench帮助初学者快速上手 CORDIC IP 的例化与仿真。一、功能点概述本设计实现以下核心功能功能说明CORDIC 计算根据 IP 核内部配置例如旋转模式、向量模式、反正切、正余弦等完成指定的数学变换16 位数据接口输入输出均为 16 位有符号整数适配常见 ADC/DAC 或 DSP 数据宽度AXI4-Stream 简化封装将 IP 核所需的tvalid固定为高电平输出tvalid悬空仅关注tdata复位极性转换顶层模块使用高有效复位i_rstIP 核要求低有效aresetn通过取反直接适配仿真激励提供简单的初值256、25、100便于观察 CORDIC 输出随输入变化的趋势应用场景通信系统中的正交信号处理由 I/Q 分量求相位角正弦波 / 余弦波发生器矢量幅度与相位解算极坐标变换二、顶层模块设计cordic.v2.1 端口说明端口名方向位宽说明i_clkinput1系统时钟i_rstinput1高有效异步复位i_dininputsigned [15:0]CORDIC 输入数据直角坐标 X 或 Y 分量取决于配置o_doutoutputsigned [15:0]CORDIC 输出数据例如相位角、幅度、正弦/余弦值2.2 关键设计要点极简封装将 CORDIC IP 核的s_axis_cartesian_tvalid直接固定为1b1数据连续有效不需要处理反压tready和输出有效标志适合无握手的流式数据处理。复位极性转换IP 核的aresetn为低有效而顶层用户习惯使用高有效复位。在实例化端口处直接写~i_rst无需额外组合逻辑。线网命名规范内部连线w_m_axis_dout_tdata加前缀w_清晰区分于寄存器。输出直接赋值assign o_dout w_m_axis_dout_tdata不添加额外打拍减少延迟。2.3 完整代码timescale 1ns / 1ps module tops ( input i_clk, input i_rst, input signed [15:0] i_din, output signed [15:0] o_dout ); // param // (no parameters) // reg // (no registers) // wire wire [15:0] w_m_axis_dout_tdata; // CORDIC 输出数据线网 // assign assign o_dout w_m_axis_dout_tdata; // 直接连接到输出端口 // FSM // (no state machine in this module) // inst cordic_0 cordic_0u ( .aclk (i_clk ), .aresetn (~i_rst ), // 低有效复位 .s_axis_cartesian_tvalid (1b1 ), .s_axis_cartesian_tdata (i_din ), .m_axis_dout_tvalid ( ), // 未使用 .m_axis_dout_tdata (w_m_axis_dout_tdata ) ); // combine_Logic // (no combinational logic besides assign) // always // (no sequential always blocks) endmodule注意上述代码中的cordic_0是 Xilinx CORDIC IP 核的实例名需根据 Vivado 中实际生成的 IP 名称进行修改。三、Testbench 设计tb_cordic.v3.1 激励设计思路时钟生成always #5 i_clk ~i_clk;产生 10ns 周期100MHz时钟。复位时序i_rst初始高电平100ns 后拉低保证 IP 内部状态被正确初始化。数据激励初始输入为 0复位释放后第一个有效数据为256等待 1000ns100 个时钟周期后改为25再等待 1000ns 后改为100。观察点长延时1000ns使得输出有充足时间稳定便于观察 CORDIC 的瞬态响应。3.2 完整代码timescale 1ns / 1ps module test_tops; reg i_clk; reg i_rst; reg signed[15:0] i_din; wire signed[15:0] o_dout; tops tops_u( .i_clk (i_clk), .i_rst (i_rst), .i_din (i_din), .o_dout (o_dout) ); initial begin i_clk 1b1; i_rst 1b1; i_din 16d0; #100 i_rst 1b0; i_din 16d256; #1000 i_din 16d25; #1000 i_din 16d100; end always #5 i_clk ~i_clk; endmodule四、仿真结果与分析预期使用 Vivado Simulator 或 ModelSim 运行仿真后可观察到以下波形特征时刻输入i_din输出o_dout说明0~100ns00复位期间输出为 0100ns 后256逐渐变化至某稳定值取决于 CORDIC 配置如若配置为反正切输出可能接近 45° 对应的数值1100ns25重新建立到新值输入变小输出相应变化2100ns100再次调整验证对不同输入值的响应能力实际波形示例假设 CORDIC 配置为向量模式求相位角输入256对应向量 (256, 0)相位角为 0 度 → 输出 0输入25对应 (25, 0) → 输出仍为 0若配置为旋转模式或求幅度则输出随输入幅度线性变化。读者可以通过修改 IP 核的配置如选择“Arc Tan”或“Sin/Cos”来观察不同功能的输出行为。五、创新点与亮点极致简洁的封装顶层模块仅用 3 组信号时钟、复位、数据输入/输出便完整封装了 CORDIC IP使得在更高层次的系统集成中无需关心 AXI4-Stream 的握手细节。复位极性自适应利用 Verilog 的取反运算~i_rst直接在端口连接处完成高低有效转换避免额外逻辑。参数化仿真激励Testbench 采用长延时和少量数据点便于快速波形观察同时为后续扩展复杂激励留出空间。完全符合编码规范代码采用分组注释、信号前缀、对齐格式等工业级风格可直接用于团队项目或代码审查。六、总结本文通过一个完整的 CORDIC 模块设计实例展示了 Xilinx CORDIC IP 的简洁封装方法、复位极性适配技巧以及高效的 Testbench 编写。该设计可以直接用于通信系统、信号发生、伺服控制等需要三角函数或坐标变换的场景。关键收获掌握 CORDIC IP 的 AXI4-Stream 接口简化方法。学会通过取反操作匹配复位电平。编写结构清晰、易于调试的仿真激励。扩展建议根据实际需求在 Vivado 中配置 CORDIC IP 的功能模式旋转/向量/反正切/正余弦和数据位宽。如需握手控制可将tvalid与上游模块的tready联动并捕获输出tvalid信号。对输出进行饱和截位后连接到 DAC 或其他外设。希望本文能帮助读者快速掌握 FPGA 中 CORDIC IP 的使用。如有疑问欢迎评论区交流。附录完整工程文件cordic.v– 顶层模块tb_cordic.v– 仿真测试激励cordic_0.xci– IP 核配置文件需在 Vivado 中生成
FPGA实战（15）：基于 Xilinx CORDIC IP 核的坐标变换模块设计与仿真
引言在数字信号处理、通信系统和电机控制中经常需要实现三角函数的计算、极坐标与直角坐标的相互转换以及反正切atan2运算。Xilinx Vivado 提供的CORDIC IP 核Coordinate Rotation Digital Computer能够高效地在 FPGA 上完成这些功能且资源消耗低、精度可控。本文将介绍一个极简的 CORDIC 顶层模块tops它封装了 Xilinx CORDIC IP将复杂的 AXI4-Stream 接口简化为一个 16 位有符号输入、16 位有符号输出的模块并提供一个带复位和渐进激励的 Testbench帮助初学者快速上手 CORDIC IP 的例化与仿真。一、功能点概述本设计实现以下核心功能功能说明CORDIC 计算根据 IP 核内部配置例如旋转模式、向量模式、反正切、正余弦等完成指定的数学变换16 位数据接口输入输出均为 16 位有符号整数适配常见 ADC/DAC 或 DSP 数据宽度AXI4-Stream 简化封装将 IP 核所需的tvalid固定为高电平输出tvalid悬空仅关注tdata复位极性转换顶层模块使用高有效复位i_rstIP 核要求低有效aresetn通过取反直接适配仿真激励提供简单的初值256、25、100便于观察 CORDIC 输出随输入变化的趋势应用场景通信系统中的正交信号处理由 I/Q 分量求相位角正弦波 / 余弦波发生器矢量幅度与相位解算极坐标变换二、顶层模块设计cordic.v2.1 端口说明端口名方向位宽说明i_clkinput1系统时钟i_rstinput1高有效异步复位i_dininputsigned [15:0]CORDIC 输入数据直角坐标 X 或 Y 分量取决于配置o_doutoutputsigned [15:0]CORDIC 输出数据例如相位角、幅度、正弦/余弦值2.2 关键设计要点极简封装将 CORDIC IP 核的s_axis_cartesian_tvalid直接固定为1b1数据连续有效不需要处理反压tready和输出有效标志适合无握手的流式数据处理。复位极性转换IP 核的aresetn为低有效而顶层用户习惯使用高有效复位。在实例化端口处直接写~i_rst无需额外组合逻辑。线网命名规范内部连线w_m_axis_dout_tdata加前缀w_清晰区分于寄存器。输出直接赋值assign o_dout w_m_axis_dout_tdata不添加额外打拍减少延迟。2.3 完整代码timescale 1ns / 1ps module tops ( input i_clk, input i_rst, input signed [15:0] i_din, output signed [15:0] o_dout ); // param // (no parameters) // reg // (no registers) // wire wire [15:0] w_m_axis_dout_tdata; // CORDIC 输出数据线网 // assign assign o_dout w_m_axis_dout_tdata; // 直接连接到输出端口 // FSM // (no state machine in this module) // inst cordic_0 cordic_0u ( .aclk (i_clk ), .aresetn (~i_rst ), // 低有效复位 .s_axis_cartesian_tvalid (1b1 ), .s_axis_cartesian_tdata (i_din ), .m_axis_dout_tvalid ( ), // 未使用 .m_axis_dout_tdata (w_m_axis_dout_tdata ) ); // combine_Logic // (no combinational logic besides assign) // always // (no sequential always blocks) endmodule注意上述代码中的cordic_0是 Xilinx CORDIC IP 核的实例名需根据 Vivado 中实际生成的 IP 名称进行修改。三、Testbench 设计tb_cordic.v3.1 激励设计思路时钟生成always #5 i_clk ~i_clk;产生 10ns 周期100MHz时钟。复位时序i_rst初始高电平100ns 后拉低保证 IP 内部状态被正确初始化。数据激励初始输入为 0复位释放后第一个有效数据为256等待 1000ns100 个时钟周期后改为25再等待 1000ns 后改为100。观察点长延时1000ns使得输出有充足时间稳定便于观察 CORDIC 的瞬态响应。3.2 完整代码timescale 1ns / 1ps module test_tops; reg i_clk; reg i_rst; reg signed[15:0] i_din; wire signed[15:0] o_dout; tops tops_u( .i_clk (i_clk), .i_rst (i_rst), .i_din (i_din), .o_dout (o_dout) ); initial begin i_clk 1b1; i_rst 1b1; i_din 16d0; #100 i_rst 1b0; i_din 16d256; #1000 i_din 16d25; #1000 i_din 16d100; end always #5 i_clk ~i_clk; endmodule四、仿真结果与分析预期使用 Vivado Simulator 或 ModelSim 运行仿真后可观察到以下波形特征时刻输入i_din输出o_dout说明0~100ns00复位期间输出为 0100ns 后256逐渐变化至某稳定值取决于 CORDIC 配置如若配置为反正切输出可能接近 45° 对应的数值1100ns25重新建立到新值输入变小输出相应变化2100ns100再次调整验证对不同输入值的响应能力实际波形示例假设 CORDIC 配置为向量模式求相位角输入256对应向量 (256, 0)相位角为 0 度 → 输出 0输入25对应 (25, 0) → 输出仍为 0若配置为旋转模式或求幅度则输出随输入幅度线性变化。读者可以通过修改 IP 核的配置如选择“Arc Tan”或“Sin/Cos”来观察不同功能的输出行为。五、创新点与亮点极致简洁的封装顶层模块仅用 3 组信号时钟、复位、数据输入/输出便完整封装了 CORDIC IP使得在更高层次的系统集成中无需关心 AXI4-Stream 的握手细节。复位极性自适应利用 Verilog 的取反运算~i_rst直接在端口连接处完成高低有效转换避免额外逻辑。参数化仿真激励Testbench 采用长延时和少量数据点便于快速波形观察同时为后续扩展复杂激励留出空间。完全符合编码规范代码采用分组注释、信号前缀、对齐格式等工业级风格可直接用于团队项目或代码审查。六、总结本文通过一个完整的 CORDIC 模块设计实例展示了 Xilinx CORDIC IP 的简洁封装方法、复位极性适配技巧以及高效的 Testbench 编写。该设计可以直接用于通信系统、信号发生、伺服控制等需要三角函数或坐标变换的场景。关键收获掌握 CORDIC IP 的 AXI4-Stream 接口简化方法。学会通过取反操作匹配复位电平。编写结构清晰、易于调试的仿真激励。扩展建议根据实际需求在 Vivado 中配置 CORDIC IP 的功能模式旋转/向量/反正切/正余弦和数据位宽。如需握手控制可将tvalid与上游模块的tready联动并捕获输出tvalid信号。对输出进行饱和截位后连接到 DAC 或其他外设。希望本文能帮助读者快速掌握 FPGA 中 CORDIC IP 的使用。如有疑问欢迎评论区交流。附录完整工程文件cordic.v– 顶层模块tb_cordic.v– 仿真测试激励cordic_0.xci– IP 核配置文件需在 Vivado 中生成
