怎样使用CORDIC算法求解角度正余弦呢？

1、算法简介

CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer）算法即坐标旋转数字计算方法，是J.D.Volder1于1959年首次提出，主要用于三角函数、双曲线、指数、对数的计算。该算法通过基本的加和移位运算代替乘法运算，使得矢量的旋转和定向的计算不再需要三角函数、乘法、开方、反三角、指数等函数，计算向量长度并能把直角坐标系转换为极坐标系。因为Cordic 算法只用了移位和加法，很容易用纯硬件来实现，非常适合FPGA实现。

CORDIC算法是天平称重思想在数值运算领域的杰出范例。核心的思想是把非线性的问题变成了线性的迭代问题【4】。

CORDIC算法完成坐标或向量的平面旋转（下图以逆时针旋转为例）。

旋转后，可得如下向量：

旋转的角度θ经过多次旋转得到的（步步逼近，接近二分查找法），每次旋转一小角度。单步旋转定义如下公式：

公式（2）提取cosθ，可修改为：

修改后的公式把乘法次数从4次改为3次，剩下的乘法运算可以通过选择每次旋转的角度去除，将每一步的正切值选为2的指数（二分查找法），除以2的指数可以通过右移操作完成（verilog）。

每次旋转的角度可以表示为：

所有迭代角度累加值等于最终需要的旋转角度θ：

这里Sn为1或者-1，根据旋转方向确定（后面有确定方法，公式（15）），顺时针为-1，逆时针为1。

可以得到如下公式：

结合公式（3）和（7），得到公式（8）：

到这里，除了余弦值这个系数，算法只要通过简单的移位和加法操作完成。而这个系数可以通过预先计算最终值消掉。首先重新重写这个系数如下：

第二步计算所有的余弦值并相乘，这个值K称为增益系数。

由于K值是常量，我们可以先忽略它。

到这里我们发现，算法只剩下移位和加减法，这就非常适合硬件实现了，为硬件快速计算三角函数提供了一种新的算法。在进行迭代运算时，需要引入一个新的变量Z，表示需要旋转的角度θ中还没有旋转的角度。

这里，我们可以把前面提到确定旋转方向的方法介绍了，就是通过这个变量Z的符号确定。

通过公式（5）和（15），将未旋转的角度变为0。

一个类编程风格的结构如下，反正切值是预先计算好的。

1.1 旋转模式

旋转模式下，CORDIC算法驱动Z变为0，结合公式（13）和（16），算法的核心计算如下：

一种特殊情况是，另初始值如下：

因此，旋转模式下CORDIC算法可以计算一个输入角度的正弦值和余弦值。

1.2 向量模式

向量模式下，有两种特例：

因此，向量模式下CORDIC算法可以用来计算输入向量的模和反正切，也能开方计算，并可以将直角坐标转换为极坐标。

2、硬件算法实现

根据【5】，可以看到CORDIC迭代算法的一种直接实现方式是反馈结构，此结构只设计一级CORDIC运算迭代单元、然后在系统时钟的驱动下，将本级的输出作为本级的输入，通过同一级迭代完成运算。这种方法硬件开销小、但控制相对复杂。

所以根据【1】、【2】，使用流水线结构实现了CORDIC迭代算法、求取了角度的正弦和余弦值。

下面分段介绍下各部分代码：

首先是角度的表示，进行了宏定义，360读用16位二进制表示2^16，每一度为2^16/360。

//360°--2^16,phase_in = 16bits (input [15:0] phase_in)
//1°--2^16/360
`define rot0  16'h2000    //45
`define rot1  16'h12e4    //26.5651
`define rot2  16'h09fb    //14.0362
`define rot3  16'h0511    //7.1250
`define rot4  16'h028b    //3.5763
`define rot5  16'h0145    //1.7899
`define rot6  16'h00a3    //0.8952
`define rot7  16'h0051    //0.4476
`define rot8  16'h0028    //0.2238
`define rot9  16'h0014    //0.1119
`define rot10 16'h000a    //0.0560
`define rot11 16'h0005    //0.0280
`define rot12 16'h0003    //0.0140
`define rot13 16'h0002    //0.0070
`define rot14 16'h0001    //0.0035
`define rot15 16'h0000    //0.0018

然后是流水线级数定义、增益放大倍数以及中间结果位宽定义。流水线级数16，为了满足精度要求，有文献指出流水线级数必须大于等于角度位宽16（针对正弦余弦计算的CORDIC算法优化及其FPGA实现）。增益放大2^16，为了避免溢出状况中间结果（x，y，z）定义为17为，最高位作为符号位判断，1为负数，0为正数。

module cordic
(
    input clk,
    
    input [15:0] phase_in,
    output reg signed [16:0] eps,
    output reg signed [16:0] sin,
    output reg signed [16:0] cos
);
parameter PIPELINE = 16;

parameter K = 16'h9b74;
//gian k=0.607253*2^16,9b74,n means the number pipeline
//pipeline 16-level    //maybe overflow,matlab result not overflow
//MSB is signed bit,transform the sin and cos according to phase_in[15:14]
reg signed [16:0] x0=0,y0=0,z0=0;
reg signed [16:0] x1=0,y1=0,z1=0;
reg signed [16:0] x2=0,y2=0,z2=0;
reg signed [16:0] x3=0,y3=0,z3=0;
reg signed [16:0] x4=0,y4=0,z4=0;
reg signed [16:0] x5=0,y5=0,z5=0;
reg signed [16:0] x6=0,y6=0,z6=0;
reg signed [16:0] x7=0,y7=0,z7=0;
reg signed [16:0] x8=0,y8=0,z8=0;
reg signed [16:0] x9=0,y9=0,z9=0;
reg signed [16:0] x10=0,y10=0,z10=0;
reg signed [16:0] x11=0,y11=0,z11=0;
reg signed [16:0] x12=0,y12=0,z12=0;
reg signed [16:0] x13=0,y13=0,z13=0;
reg signed [16:0] x14=0,y14=0,z14=0;
reg signed [16:0] x15=0,y15=0,z15=0;
reg signed [16:0] x16=0,y16=0,z16=0;

还需要定义memory型寄存器数组并初始化为0，用于寄存输入角度高2位的值。

reg [1:0] quadrant [PIPELINE:0];
integer i;
initial
begin
    for(i=0;i<=PIPELINE;i=i+1)
    quadrant[i] = 2'b0;
end

接着，是对输入角度象限处理，将角度都转换到第一象限，方便处理。输入角度值最高两位赋值0，即转移到第一象限[0°,90°]。此外，完成x0，y0和z0的初始化，并增加一位符号位。

always @ (posedge clk)//stage 0,not pipeline
begin
    x0 <= {1'b0,K}; //add one signed bit,0 means positive
    y0 <= 17'b0;
    z0 <= {3'b0,phase_in[13:0]};//control the phase_in to the range[0-Pi/2]
end

接下来根据剩余待旋转角度z的符号位进行16次迭代处理，即完成16级流水线处理。

View Code

其中使用到了算数右移（>>>）运算、所以在之前声明时将相应的reg/wire均声明为signed类型。这一点在【1】的最后也有说明。

需要注意的是这里的算数移位运算（这一运算的详细过程在【3】中进行了说明），与之区分的是逻辑移位运算。

二者规则为：

逻辑左移和右移，空出的位均补零。

算数左移与逻辑左移相同，都在低位补零；算数右移、移出的高位比特使用符号位填充（0正1负）

举例说明，对8'b_1011_0111进行逻辑、算数移位的结果如下图所示：

比如这里的原数值是8'b10110111、为负数（补码形式）、换算成十进制为-73.

算数右移一位之后的结果是8'b11011011、由补码换算成原码再换算为十进制为-37.

由于进行了象限的转换，最终流水结果需要根据象限进行转换为正确的值。这里寄存17次高2位角度输入值，配合流水线结果用于象限判断，并完成转换。

//according to the pipeline,register phase_in[15:14]
always @ (posedge clk)
begin
quadrant[0] <= phase_in[15:14];
quadrant[1] <= quadrant[0];
quadrant[2] <= quadrant[1];
quadrant[3] <= quadrant[2];
quadrant[4] <= quadrant[3];
quadrant[5] <= quadrant[4];
quadrant[6] <= quadrant[5];
quadrant[7] <= quadrant[6];
quadrant[8] <= quadrant[7];
quadrant[9] <= quadrant[8];
quadrant[10] <= quadrant[9];
quadrant[11] <= quadrant[10];
quadrant[12] <= quadrant[11];
quadrant[13] <= quadrant[12];
quadrant[14] <= quadrant[13];
quadrant[15] <= quadrant[14];
quadrant[16] <= quadrant[15];
end

最后，根据寄存的高2位角度输入值，利用三角函数关系，得出最后的结果，其中负数进行了补码操作。

//alter register, according to quadrant[16] to transform the result to the right result
always @ (posedge clk)
    eps <= z16;

always @ (posedge clk) begin
case(quadrant[16]) //or 15
2'b00:begin //if the phase is in first quadrant,the sin(X)=sin(A),cos(X)=cos(A)
        cos <= x16;
        sin <= y16;
        end
2'b01:begin //if the phase is in second quadrant,the sin(X)=sin(A+90)=cosA,cos(X)=cos(A+90)=-sinA
        cos <= ~(y16) + 1'b1;//-sin
        sin <= x16;//cos
        end
2'b10:begin //if the phase is in third quadrant,the sin(X)=sin(A+180)=-sinA,cos(X)=cos(A+180)=-cosA
        cos <= ~(x16) + 1'b1;//-cos
        sin <= ~(y16) + 1'b1;//-sin
        end
2'b11:begin //if the phase is in forth quadrant,the sin(X)=sin(A+270)=-cosA,cos(X)=cos(A+270)=sinA
        cos <= y16;//sin
        sin <= ~(x16) + 1'b1;//-cos
        end
endcase
end

完整代码：

Whole Code

testbench测试代码：

Testbench

3、Modelsim仿真结果

仿真结果的补充说明：

（1）程序全程未使用复位信号，testbench中第一个计算的角度为16'h2000也就是45度，如果以图示时刻为0时刻、仿真结果对应的波形即分别为sin(x+π/4)和cos(x+π/4)的波形。作为参考，0.5*√2*65535≈46340.

（2）关于运算过程中的位数溢出

根据仿真结果，本测试例下，x4出现过16位位数溢出。

（3）关于流水线设计的理解

前文提到过实现CORDIC迭代算法时可以使用反馈结构（只使用一级）、也可以使用流水线结构（多级），如果任务是只单独计算一个角度的正弦或者余弦值，那么所需要的迭代次数或者说消耗的时钟周期数量其实是相同的，本设计中为16个时钟。

流水线结构的威力是在连续、源源不断地计算一组多个角度的正余弦值的时候才展现出来，当初始流水线被填满之后，每经过一个时钟周期、都会在输出上获得一个更新的角度的正余弦结果值，上图仿真结果图中黄色cursor左侧的时间段内、流水线即被逐步填满。

换句话说，如果现在的任务是要计算n个角度的正余弦值、计算一个角度需要的迭代次数为x，反馈结构需要的时长为（n*x）个时钟周期，流水线结构只需要（n+x-1）个时钟周期。

审核编辑：刘清