matlab和FPGA中无符号数和有符号数的转化 function, matlab, 比特

yuyang911220

在FPGA 设计过程中经常会遇到关于数表示之间的转化问题，最常见的是无符号数和有符号数之间的转化问题。
（1）在FPGA设计过程中，能够很直接的看出数字的位宽，但经常以无符号数的形式输出，在后继的处理中往往要将之转化为有符号数（如：计算频谱）：
对于一个比特宽度为W的有符号数，其值往往可以表示为(令W = 4)：
-1*b3*2^3  +  b2*2^2 +  b1*2^1 + b0*2^0
根据这一原理，给出以下Matlab 代码：
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
function [b] = unsigned2signed(data, width)
%This fuction covert an unsigned data into a signed data with bit width ==
%width.The input matrix should be positive.
%Example:unsign2signed([0:3],2),return ans = [0 1 -2 -1];
data_size = size(data);
sign_mask = 2^(width-1);
data_mask = ones(data_size)*sign_mask;
%
data_sign = -1*bitand(data_mask,data);
data_remainder = bitand((data_mask - 1),data);
%
b = data_sign + data_remainder;
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
同时根据补码的原理，也可以用几句简单的语句表示：
%设数据位宽为4，1位符号位，数据矩阵为a
a(find(a>= 2^3)) = a(find(a>= 2^3)) -2^4;
以上可以看成先将负数找出，先除去符号位（减去2^3）得到相应的负数的补码，再加上符号代表的意义-1*2^3,
即总共减去2^4.
（2）在FPGA设计中可能会遇到要将数值求相反数，对应的硬件描述数语言可表示为：
/////////////////HDL///////////
`timescale 1ns/1ps
module inv_test(in_data,
                out_data);
input [15 : 0] in_data;
output out_data; reg[15 : 0] out_data;
reg temp;
always @(in_data)
begin
  {temp,out_data} = {{1'b1},{16'd0}} - in_data;
end
endmodule
///////////////////Testbench///////////////////////////////
`timescale 1ns/1ps
module tb_inv_test;
parameter CYC = 10;
reg [15 : 0] in_data;
wire[15 : 0] out_data;

inv_test uut(.in_data(in_data),
             .out_data(out_data));

integer cnt;
initial
begin
  in_data = 0;
  #(CYC);
  for(cnt = 1; cnt <100; cnt = cnt + 1)
  begin
    in_data = cnt;
    #(CYC);
  end
  for(cnt = 16'h8000; cnt < 16'h8100; cnt = cnt + 1)
  begin
    in_data = cnt;
    #(CYC);
  end
  $stop;
end
endmodule
/////////////////////////////////////////////////////
注意由于正负的不对称性，在16‘h8000处对应的正数会溢出。
（3）在写入测试数据时，可能会用到要将有符号数转成无符号数表示的情况，跟据（1）的描述可以很快地写出其Matlab代码：
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
function b = signed2unsigned(a,wl);
%This function covert an signed integer number into an unsinged integer
%number. a is the input vector while wl means the width of input number;
%Example: a = [-2,-1,0,1];
%signed2unsigned(a,3); THEN return [2,3,0,1]
k = 2^(wl)*(a<0);
b = k + a;
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%