matlab

YShangJ

1 引言
% L$ i& M* A( Q. v
   

    在对复杂数字系统进行仿真测试时，设计者常常面对测试向量数量庞大而难以实现的问题。以数字图像处理系统的仿真测试为例，如果采用完备性测试方法．那么所需测试向量的数量将非常巨大，甚至无法实现：而采用测试向量波形图或者用HDL语言描述等常用方法．不仅仿真测试工作的效率低下，而且工作量巨大。在数字图像处理系统中，一帧320x240的数字图像所产生的测试向量数量达到320x240x2=153 600个。无论采用完备性测试方法还是向量波形图或者．HDL语言描述的方法，由于测试向量的数量极其巨大，采用这些方法都难以进行仿真测试。

/ Q( s, W- ~# b  B7 D1 m/ p! `   
' F' e' C: |7 f* ?/ p' s) J
. E9 T6 |2 }# \5 P" m1 K) J    针对这个难题，笔者提出一种进行仿真测试的新方法．该方法应用TEXTI0和：MATLAB来辅助仿真测试过程．使测试向量数量巨大、难以处理的难题得到很好的解决。以电视视频系统中实时多目标捕获单元的仿真测试为例．对这种新方法进行全面的讨论。
* H5 Y( I; i. ]0 I" D: B
" W. O- R, Y9 U' k: w) u   
2 w6 r* c7 _* Y; a
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

) T9 B( ~. O6 c0 F   

4 A3 Z/ E. l; s/ m3 ]5 i( Z    2．1 TEXTIO的功能
+ Y4 z6 z% R  x
   
" d+ a0 {) ]+ e. w+ M' t2 D
    TEXXTl0是VHDL标准库STD中的程序包(Package)，它提供了VHDL与磁盘文件直接访问的桥梁。TEXTIO定义了3种类型：LINE类型、TEXT类型及SIDE类型。TEXTI0在程序包中定义了一些访问文件的过程(Procedure)。
+ k3 K7 _2 N7 f7 o/ _
   

    TEXTIO提供的基本过程有：

   

    (1)procedure READLNE(文件变量，行变量)，用于从指定文件读取一行数据到行变量中；
" {5 ^# R1 k% C$ p8 J- K; C
& C/ v& X8 n7 c% m. ?    (2)procedure WRITELNE(文件变量，行变量)，用于向指定文件写入行变量所包含的数据；

    (3)procedure READ(行变量，数据类型)，用于从行变量中读取相应数据类型的数据．根据参数的数据类型及参数个数的不同．有多种重载方式，TEX-TIO提供了bit、bit、bit_vector、BOOLEAN、character、in-teger、real、string、time数据类型的重载；

    (4)mcedure WRITE(行变量，数据变量，写入方式，位宽)，该过程将数据写入行变量。其中，写入方式表示写在行变量的左边还是右边，其值只能为left或right，位宽表示写入数据时占的位宽。例如write(Oufljne，OutData,left,2／表示将变量OutData写入LINE 变量OutLine的左边，占2个字节。
% B0 m& z: k" E; t; I' y
   

    2．2 仿真测试方案
3 X, B( R! g8 C* \
   

    使用TEXTO和MNTLAB辅助TestBench进行复杂数字系统仿真的方案框图如图1所示。

   
! y! l! ]2 F' C6 l
   

   

    2．3 仿真测试步骤

   
8 @6 C$ c( w% q% y
    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
4 }: X3 O2 |$ T0 G- y0 e6 e
   

0 T* e% k" r  N1 E$ x$ c! \    MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的缩写，是1984年MathWorks公司推出的软件。经过20多年的发展，MATLAB已成为通用科技计算、图视交互系统和程序语言,广泛应用于研究和解决各种具体工程问题。
: C: f/ h4 R) k/ R& O) U& N& U6 H
5 {# p2 L7 B2 p- U   
" L3 g. {4 Y' O5 R5 M
6 @5 R. D/ S8 y4 T. \8 t& i    在复杂数字系统仿真中，用户可以利用MAT-LAB的强大处理功能生成测试激励文件。测试激励文件的数据格式由设计者自行定义。测试激励文件应包含输入信号的测试激励数据．也可以包含输出信号的期望输出数据．这些内容常常以．ASCII码表示。
0 H# r- u7 ]* F: I
   
2 G  R8 t8 @) @) J0 w2 G$ ]: D
    2．3．2 编写TestBench
7 }3 y: p5 n/ t: f: N
   

    TestBench是测试平台程序。TEXTI0的使用是通过TestBench来进行的,TestBench利用TEXTIO读取测试激励文件或写入仿真结果输出。进行复杂数字系统仿真时,用户根据测试的目的和要求设计TestBench。
4 L* f( ]2 w: f5 |2 h* H3 E( f+ T/ b
6 |% F: I( e/ @: e; @( ?( V' W' b" N: p   
7 o$ \5 V2 Z/ G+ `
' R7 O7 N+ N0 ?$ l$ \1 V+ T    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

   

    Modelsim是Model Technology(Mentor Graphics的子公司)的HDL(Hardware Description Language)仿真软件。可以实现VHDL、Verilog及VHDL一Ver-ilog混合设计的仿真。Modelsim为’TestBench提供一种良好的HDL仿真环境。

$ ?& e+ _3 T. H4 X   

    2．3．4 结果分析

  i% P. V$ l0 E2 R   

    仿真结束后，仿真结果是否符合要求，用户可以通过二种方法来判断。一种是应用软件自动判断。即通过TestBench或其他软件(如MATLAB)对仿真输出结果和期望输出结果进行对比，从而得到分析结果：另外一种是人工判断．即设计者自行对仿真输出结果和期望输出结果进行对比，从而得到分析结果。

' M: w& ?9 a% Z   
9 g; @5 p8 \7 j; D) s; I" o
2 v$ P" P4 t& U4 R    3 仿真测试实例

# ^/ X! H; f; v& ?6 n* Z   
+ l9 L( Z/ ], b; z6 m
    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
6 o' p1 h5 ~8 M' N, B
   

7 ^, E7 t5 h1 _. f' n4 ?$ n    电视图像实时目标捕获单元(以下简称待测单元)具有对电视图像中的目标图像进行实时捕获的功能。本例将用TEXllO和MATLAB辅助Test-Bench对待测单元进行仿真测试。

; D1 V! q/ q, V& Q; S2 Y   
2 P, m2 {6 b" @% }* J1 X
, q+ t5 `' A! z. P! I9 x" O    3．2 需要产生的测试信号及波形

* g. X6 }3 p3 S0 o+ v0 K9 I6 a   

1 Z* m( s$ V# {& e2 y    待测单元输入信号的时序如图2所示。其中，clk、vsy、hsy和ccd分别代表像素时钟、数字化后的场同步、行同步和二值图像信号。

   
! P  [& W( v. o) A% j7 ^+ J
/ P6 l3 D, r" N* Z4 P+ K# h0 y9 p   

    用户设计的测试激励信号即测试激励文件中输入信号的激励数据,应符合图2所示时序的要求。
; A+ }* P1 w+ v/ y1 J, j
   
( u, T) x: `: H) n9 B
    3．3 测试信号的产生

( f9 y" s8 h- O+ D   
1 O/ X1 w. U4 K% Z8 g; t. A
# o: @" `8 W/ G/ G5 D5 s" @    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
8 K! ^; T8 W) n  m  ^  @
+ p1 ^5 s: {) Q, s# i/ A   
8 s2 o1 p/ L3 X; ~( E% b1 m' H
    以下是生成测试激励程序的核心代码：

    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

% T7 l$ G3 e1 i6 S2 Z    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
1 G4 ~8 T( G; A: c5 C2 t
    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
9 \8 Q% O/ A$ _! d5 o
    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
$ y2 Q8 O/ m2 v; R  j! Q
    HORTIME=64；％行正逆程总时间

    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
7 g* x# T6 c% T1 g
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

! C6 Z# T! q. U    荡器频率，图像X方向分辨率

    ……

   
8 `# Y" k1 ?/ D9 W
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；
* b0 a8 X7 U1 S9 x
    for i=l：1：HORTIME*FZ；

    ％产生行同步激励

    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

( r; Y4 ?/ [- j) R- k1 P! p* M    hsy=l；
4 _' G" D3 [6 J9 F
    else
" I% B4 ?+ C( A( l) s1 R: o
$ C# w+ {8 s3 K& |) x7 X: i* R3 m    hsy=0；

    end；
6 C4 K  q; h' Q: p
/ T( b0 }  M! c% f* s- V* [- ^9 _    ％产生像素时钟激励
  i# i$ f7 c! P9 n) I
    if clk==1

; a; ]; O! C$ H5 O    clk=0；
, c- b- z7 E; m) e6 q' t, D
: H1 V9 B/ B: y4 v& ?* R4 E5 a5 i3 w7 z    else
7 Z; ^* x# U0 {4 C  }  {7 K
    clk=l；

% y: @# [3 m! E+ v    end；
9 J- ], J7 q' ^1 k+ e3 v
0 l9 p* M  N. c    ％产生CCD激励

1 `: J: s5 H1 O$ A; L: x) k2 z    if i>NEGTIME*FZ
( I$ E- v0 p4 k
% x& ]( P% h& @% n, G2 h    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

    ccd=round(image(yy，xx))；
( ^: g3 E% L- D& @0 }) n
    else

6 z: [6 Q( U0 x/ ?+ A    ccd=0；

    end；
( a$ {! m' H* a, Q1 J+ A* T8 b
3 Y2 z7 Z$ k& ]" \9 x, d7 k; Q  F7 w    ％将激励写入测试激励文件
0 i3 q; \; c# b
5 j  D; E" z# U& Z    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

2 x2 ?$ i) D; T4 p( ?1 s7 ?" D  P    end；
0 d2 k! O- T" ^1 x. H
- U5 B9 t: q& L    end；

    产生的测试激励文件名称为TestVectors．inp，激励内容以ASCII码表示，信号之间用空格隔开，且一行代表一次激励。下面是测试激励文件中的一段内容，激励包含clk，ccd，hsy，vsy 4个信号：
; O5 B* Q! m1 t$ ?& T# s" B" ~
' P; s0 o( {0 I% V/ G; }    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
" g# e# w5 q. z  X! {/ z1 B
* |& O# l4 R7 }" [& `  ~* A    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
+ s! \. v% ?3 i/ C
    …

) h9 ~, T0 s3 y# _   

4 O: L. a) Z7 @2 \6 p5 ~2 S    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

% G5 @7 }% @. T4 r' g    …

! ~3 k( X& ]7 a% X* ^   
, A$ {" [) |! V1 O7 l0 A! i
    进行仿真时。TestBeneh应用TEXTIO通过逐行读取测试激励文件得到待测单元输入信号的激励。
1 g: H! A5 o% z) j
   

    3．4 编写TestBench

   
1 c3 C) O$ q* _1 S0 }& m
    TestBench调用TEXTIO读取测试激励文件得到激励，然后将这些激励分别驱动到待测单元的输入端口。同时，TestBench读取待测单元的输出结果，调用TEXTIO将仿真输出结果写入文件名称为Re-sult．out的仿真结果输出文件。
+ b: j* B/ u) p$ l0 H. [/ D
' a/ t) D/ N/ s! m- P2 s1 x1 t   
' D2 W7 l! O  K# c+ I  ]
    以下是TestBeneh的核心代码：

    testprocess：process

* s$ m, }4 ?% C* x% G' s    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
. b0 Z  S) }' x6 p: Y2 f, q+ c  ]
    inp”：一指定测试激励文件

    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

9 U2 k% V2 t/ j5 o$ T    一指定仿真结果输出文件

7 P: b7 A! l7 `" G# l1 W    variable invecs，outvecs：line；
( s0 x4 n/ H, ?
; V7 \; H+ V6 J; Y/ b+ R    variable good：boolean；
8 u6 F: @/ D% R( T: \6 E
! z  R& s4 k" Z: g    variable eh：eharacter；

    ……

) }# ?) |3 J" j- p2 j   
, |4 v2 g* ~2 {1 l
    while not endfile(veetor_file)loop
5 o$ P( Y# Z5 t$ r/ {, l' r5 l+ ]
    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励

    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

    read(invees，ch)； 一一读取空格
. o. K$ |: T9 K( Y
    ……
1 t; E5 f; ?9 W7 ~% J& ?6 k: q
8 r( _/ X+ R& D: f+ s) X   

/ S4 M' o0 e! [3 i4 H6 J    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
; G( N0 N# ~3 P4 D. ~: m
) u6 J9 W/ }4 W( G& D. |    read(invecs，ch)； 一读取空格
2 ~% E" S5 y: ?4 q; l6 _
7 K+ g2 \; \! R8 j! y  ^8 o1 G    ……

# j/ R$ n+ V# u0 [/ i   
- x5 G& V; y, Z& l, A! M
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
) h: N0 Q2 S; j# d: X
8 t/ O6 o3 l7 A  T    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
+ X6 a  ?3 y% g% w; z7 f. c0 a# Z
    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy

    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

    ……
  Y$ R4 Y4 \8 [0 k6 J' ~9 L3 v
0 s. u7 u1 W; z   

    caseiis

    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
$ g* ^# D7 {% J& n
* N# B; B2 x3 a5 ]: B, ]    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
  P# i$ O4 b0 @  A9 w9 R
    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
4 l* K/ f- \$ [! z
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

    when other8=>null；

    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；
& e( o& m2 {2 ]" [( {' S2 a4 c! Z& C
. Z* R: L/ C; O+ `    ……

7 ~" w0 u0 Q; Z. o( n   

    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   
* \8 O/ @: A+ a  ?
    在Modelsim提供的HDL仿真环境中，运行TestBeneh进行仿真测试，得到测试向量波形(如图3所示)、仿真波形(如图4所示)和仿真输出结果文件ResuIt．out。对仿真输出结果进行分析表明，仿真输出的目标位置与输入电视图像中的目标位置完全一致。
% G2 l  D3 x" Z; y
  m6 B% E2 N  M" b7 C# Q7 c4 W+ |5 C   

   

   

  w$ w  o# ?( _% p6 q   

! }5 C3 w* B$ K3 _) A    本例的结果分析是通过人工对比进行的。还可以将仿真预期输出结果保存在测试激励文件或其他文件中．TestBench调用TEXTIO读取仿真预期输出结果．并和仿真实际输出结果进行对比，然后自动判断结果是否正确。在某些场合下，例如对VHDL编写的处理器进行仿真调试时，用户可以将包括指令类型、源地址、目标地址在内的指令保存成文本文件。TestBench调用TEXTIO读取这些指令。同时．TestBeneh调用TEXTIO将结果及中间变量保存成文本文件，以便设计者事后分析和查找问题的原因。
* X( n  q( P0 g
' ~5 n! W8 o( X; L( q( g7 D& t/ f9 r