FPGA实战（15）：基于 Xilinx CORDIC IP 核的坐标变换模块设计与仿真

2026/6/16 12:07:00

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_rst`，IP 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.v）

2.1 端口说明

端口名	方向	位宽	说明
`i_clk`	input	1	系统时钟
`i_rst`	input	1	高有效异步复位
`i_din`	input	signed [15:0]	CORDIC 输入数据（直角坐标 X 或 Y 分量，取决于配置）
`o_dout`	output	signed [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1'b1，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 (1'b1 ), .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.v）

3.1 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 1000ns（100 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 = 1'b1; i_rst = 1'b1; i_din = 16'd0; #100 i_rst = 1'b0; i_din = 16'd256; #1000 i_din = 16'd25; #1000 i_din = 16'd100; 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
0~100ns	0	0	复位期间输出为 0
100ns 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）
1100ns	25	重新建立到新值	输入变小，输出相应变化
2100ns	100	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。