モデルベースデザインで FPGA 開発はどう変わる？
ZCU106 を用いた実例で理解する MBD の価値

FPGA や組込み開発の現場では、仕様の複雑化、開発期間短縮、属人化など、従来手法の課題がより鮮明になっています。その中で注目されているのが モデルベースデザイン（MBD） です。

本記事では、東京エレクトロンデバイス（以下、TED）が 「ZCU106」を用いて Simulink による「MBD」を実際に適用した事例をもとに、開発プロセスと得られた効果を紹介します。

ZCU106の開発事例

本開発では次の構成を実現することを目標としました。

目標

• HDMI 入力映像を ZCU106 で受信
• FPGA 内で 赤成分 (R) を 0.25 に減衰 する RGB フィルタを実行
• HDMI 出力でフィルタ効果を確認

この一連の流れを「Simulink でのモデル設計」＞「FPGA 実装ファイル生成」＞「ハードウェア検証」まで統合して実施しています。

Color Barの動作確認構成全体図

Pass-Throughの動作確認 構成全体図

ZCU106の開発プロセス

STEP 1：リファレンスデザインの改造

• HDMI Pass-Through Design をベースに、HDMI RX → フィルタ → HDMI TX の流れを実現するための block design へ改造
• AXI4-Stream 接続の一部を削除し、Simulink 生成 IP を挿入可能な構造へ変更
• 変更後 block design を tcl 形式でエクスポート

カスタムの基板・ブロックデザインをSimulinkへ適応させるのに必要なファイル一覧

STEP 2：Simulink によるフィルタモデル設計

• R 成分を 0.25 に減衰する RGB フィルタブロックを設計
• 「2Pixel 入力」→「1Pixel 処理」→「2Pixel 出力のデータ構造をモデル化」
• HDL 対応ブロックとシミュレーション用ブロックを整理

STEP 3：Simulink → Vivado への実装生成

• HDL Workflow Advisor を用いて、ターゲットボード設定（ZCU106 + Vivado）
• IP Core 生成
• Vivado プロジェクト生成ビットストリーム生成

STEP 4：ZCU106 での動作確認

• Color Bar / Pass-Through との差分を HDMI 出力で比較
• 赤成分（R）が確実に減衰していることを実機で確認

フィルター実装前のPass-Through Exampleと実装後のデザインの動作結果比較

フィルター実装前のPass-Through Exampleと実装後のデザインの動作結果比較
※PCは画面複製モードで出力

MBD のメリット・ TED が支援できるポイント

MBD を活用することで、設計〜実装〜検証までを統合的に処理でき、FPGA 開発にて大きな効果を得られます。

一方、FPGA には基板固有構造やインターフェース設計など、MBD と組み合わせることでより効率化できる領域も存在します。

以下では、MBD のメリットと TED が支援できるポイントを整理します。

メリット1：自社オリジナル基板への展開性の向上

Simulink には、基板固有情報（I/O、クロック、IP 構成など）を設定ファイルとして渡すことができ、ZCU106 以外の自社基板でも同一ワークフローを展開できます。

MBD の価値

• block design を tcl 化し、異なる基板でも再利用可能
• 設計フローの共通化により開発効率が大幅向上

FPGA 実装で必要となる前提作業

• 基板固有インターフェースの準備
• Vivado block design の調整

TEDの支援

• 基板別インターフェース設計の代行・支援
• Simulink 連携用設定ファイル（tcl / JSON など）作成支援

メリット2：モデルと実装の整合性向上によるデバッグ削減

Simulink 生成 IP が Vivado block design に意図した位置へ正しく挿入され、モデルと実機で動作が一致したことを確認。これによりデバッグ工数が大幅に減少します。

MBDの価値

• RTL/FPGA 実装とのズレが発生しにくい
• 実機でモデルと同じ動作を確認しやすい

活用上のポイント（FPGA 全般）

• AXI4-Stream などのデータフロー理解
• 高速映像 IF の正しい接続

TEDの支援

• HDMI / AXI4-Stream の設計経験に基づく IP 配置支援
• デバッグしやすい block design 構造の設計支援

メリット3：既存リファレンスデザインの効果的な再利用

MBDの価値

• 既存のリファレンスを活かしつつ、自社機能へ柔軟に拡張可能
• Simulink ↔ Vivadoの自動化により手戻りを排除

TEDの支援

• HDMI 系デザイン改造の豊富な実績
• 自社用途へのカスタム拡張ガイド
• tcl 化・ワークフロー統合のサポート

まとめ

今回の ZCU106 を用いた実践を通じて、MBD の効果として

• 設計と実装が一致する安心感
• ワークフロー一貫化による開発効率化
• 自社基板への展開による技術資産化

といった大きな成果が得られました。

FPGA 開発に MBD を導入することは、単なる効率化ではなく“開発プロセスそのものをアップデートすること” に他なりません。

TEDでは、

• 自社基板で MBD を使ってみたい
• Simulink と Vivado の連携を相談したい
• リファレンスデザインを改造して効率化したい
• MBD 導入のロードマップを作りたい

といったご相談を多くいただいています。貴社プロジェクトに最適な MBD 活用方法をご提案いたしますので、ぜひお気軽にお問い合わせください。