matlab

YShangJ

1 引言
4 x" u& I" \& ]3 Z8 j4 ?) {: j* K
! ]( c: L7 L7 d6 y% B   

    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。
+ p0 G' j- A6 O6 m/ ]! N
   
" v1 ]3 C/ M) x- t% F1 R; c
) X! \; J! v9 f' _    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。
2 n" O* c2 p. E4 z2 U
   
8 P0 x' P/ b- ^
) d1 B' n- n; q    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
3 ]- M) s0 C) D6 _4 W: W
( y. h+ c& q# y# [% q2 l# e   
1 R- i; [, A: v/ ^8 c) n
( u" [) ?& X5 ]/ ^' X    2．1 TEXTIO的功能

   

    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)。

1 o) i4 _5 ^: Z8 `9 \: R   
  J  t* m, h8 G6 p
    TEXTIO提供的基本过程有：
( G0 P! e+ F+ _
" i9 N3 U% B6 _3 X7 c" Q2 x' S   

( D- t9 z9 K* ~  @- A  g    (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；

; s5 f, Y2 O/ V/ e  f) s1 w- Q    (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；
- ?, J, B& n" [6 C2 {
9 g+ `- V9 K. \$ ?& ]4 @4 j    (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；

. {9 I# }  B2 H# i2 k    (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。
& h& X2 k8 j& Q. a4 X" p1 ]# N% e
   

    2．2 仿真测试方案

   

    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。

* r  w8 r* `0 Z4 `/ d( a+ F8 w- J   

   
+ L+ r3 E1 q5 E7 N" G0 Y8 y
: `0 V2 X: w& ?9 |& Q; |# X1 M* A   
. u4 \; y! d  k4 a, ]
" N5 R. m1 W) ?# ^# C5 D# {    2．3 仿真测试步骤
8 a: ^+ x1 R  q% M* j! ]
   
3 D  I- _! P; M7 s
2 q6 y9 I/ d9 |4 m, d7 c    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

! s' l5 _1 D  N$ l: s   
+ b1 w/ K; p- r6 O6 z4 a
    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。
( f, t/ B  R0 F
   
# [# ~/ G# I, F5 t$ ~
    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。

; g# J8 b$ S6 {) @* w' l6 [+ F   
" O- z8 a) V" c4 ]
    2．3．2 编写TestBench
( T' \, N9 B/ U: y: J
   

    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。
' O  k' r0 V& v5 n
' ~2 T; w& {7 p. w0 z* t/ O   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
: F/ m8 B5 t0 T
* I; }" |* s3 k7 Q5 x# b1 d   
2 Y) Q, x9 c/ [: C" l- K) J
3 q8 V8 q7 a) A* C% `1 \    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。

* S/ G+ F5 I8 D   
5 l$ ?+ }( f. J2 s; f
/ Q6 n% T4 {6 s: `    2．3．4 结果分析
  T5 ^$ k. L  R# v
" J7 _4 P6 z0 u8 `, i2 N  h   
+ w9 A( {( r9 H4 @& s) c' N5 F5 M
    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。

* i, Z% G; U) U9 b' x7 C   
4 F- K* b2 @6 G! H
6 H# ?9 Z) P! K2 j$ q7 t3 v2 s1 ]9 N+ b    3 仿真测试实例

   

: A  h% f( t; e5 q    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

   
) O. n9 y7 c5 A4 }; j
    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。

   
5 _  b$ U7 L" z, I
) c, y9 k( [1 x3 _2 Y5 z4 I% j! }    3．2 需要产生的测试信号及波形

   

( j' I5 f9 }8 F    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。
* H! h1 S6 _1 k$ |) L
% L/ h. d* N8 R* z, _   

* \9 j. |2 K. d8 N. l   

    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。

% V2 F+ |# H. a( R1 {   

' {9 Y1 }8 D0 T# y' Q0 \+ e* s    3．3 测试信号的产生
8 Z3 T+ @$ N( Y' \$ R
   

    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   

    以下是生成测试激励程序的核心代码：

% i) Z) i& J. @9 b! c    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

3 ]) T* C. {1 _% }, n7 k    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
, Q6 T  _+ W9 {" }. B5 x$ y! X1 R
    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

, A2 t3 q2 i4 X9 w2 @. R$ ^7 c0 A    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
$ A# ]( ], M1 _4 ^) |
2 b# m- w: B( z% B    HORTIME=64；％行正逆程总时间

    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

: S$ W7 C" v  G4 B8 X* n    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
% }+ Z+ Q0 z7 ~7 h
% g- {# R. c+ g8 i    荡器频率，图像X方向分辨率

    ……
! g: G' {+ u( n  v
   
2 s* v. ]* F- J, ]. z
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

    for j=1：1：YN；
! q+ ~- y7 B' D! a
/ Z! L! y* @: ~1 e% w1 O1 D8 h- {    yy_j；xx=0；
9 y* b% m/ `9 c: D, I- S/ G
7 a" f3 R6 L& O) @$ l) F    for i=l：1：HORTIME*FZ；
; R& Q7 E, J0 N
    ％产生行同步激励
6 J; e$ F) c: [$ P* ]- r0 ?
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
: d$ z: R/ h8 `& D( X* E
& j3 v- S7 G  \, _6 {    hsy=l；
( ]  w& c  i$ M0 v8 b
; [8 m  O" N1 V/ ^    else

    hsy=0；
% _* A$ A# T! a. I
    end；
8 W: w% F# t. d$ O! E. |
6 Z% \8 Y; }1 n, c2 }* P    ％产生像素时钟激励
. N& b* Y' f! i. U5 c* w0 K
" z  i$ }' a: y- M1 |( W+ H" ~) ?0 [    if clk==1
- M4 _, }  _0 D* U
    clk=0；

    else

1 P, q, N% |  L. {/ Q0 p    clk=l；
  w8 s& @- i, S
    end；
- S+ {& z$ b* B; e+ N' c- g/ _
* U# q% g7 }( W" [8 \4 D) A5 ]    ％产生CCD激励

" t* s8 m  q! j. U/ E0 ]7 W- r    if i>NEGTIME*FZ

    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

    ccd=round(image(yy，xx))；
7 D) Z! u! w3 ?; y6 y5 @. p1 {+ }7 F
    else

: a3 J% I$ P  |, w$ L( m5 y    ccd=0；
+ Q3 C) F+ g, ]' p! c
+ Q  E3 z# {" G6 g/ C2 O+ e+ o    end；

  e5 T$ O, c3 X- P, ^  K    ％将激励写入测试激励文件
" T& v5 t( [+ b' b
' ?# s. I6 _3 Q. [; i) d    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
! c2 K3 R! Y3 ^# ]9 c! F; M6 u' D
5 M& b- t4 m+ W# N$ o. ~    end；
  h" l) x0 j) p0 F  x
1 d6 C9 z9 T! D, ?    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：
' C; I0 N7 v* \. |  }
! F' n7 F: ?" A2 s8 K+ L    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

* D+ e8 E& V+ z    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
/ l, d, x& P$ q
    …

   
2 w/ y! `- ~' \- K9 x
# V! O7 z* e# T8 H- }    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
/ ~) z* ]( h! G0 ~9 k. ?0 y$ b, g
" J( G- y8 G( a4 l2 F    …
- C5 n6 U4 n0 ]# U; D
   
3 J- U3 c& @5 t+ O$ J) C
    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。
/ z5 `& V: v" _, J$ d2 r6 q% }0 j
* C8 J# o1 o+ I$ c* k. N   
" X; @) T5 I1 C
7 e- O9 \. k  Q: g' }3 |    3．4 编写TestBench
) J: Q2 Z# ]3 t' Q
   
( s5 ]& E2 H: r/ O1 ^
    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。

   

    以下是TestBeneh的核心代码：
; Q4 Z8 W. J- f/ `! X
" Y6 y/ @9 T# j. p) u) o" ^* E& a    testprocess：process
3 l% n  A7 U5 a7 d2 j2 Y. c$ S& \
' n9 `; \4 D7 n0 G% v$ e1 Q    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
" ]- a# B. I2 n+ _( ~6 H# Z
    inp”：一指定测试激励文件
; e9 ]3 @8 J, R% i9 p3 _3 p1 T# I$ w
2 W" p2 L. T1 b& s4 j( p/ j4 w* m    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
% V' K; }. a; b% k8 l% a9 S' A
    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；

" V# e' d8 E8 D    variable good：boolean；

    variable eh：eharacter；

    ……
2 \$ E  w4 T9 z8 u' j" b
/ a# l4 z: L3 Z$ X8 x& l# J" X   
/ [; [/ |* ?8 }) ~' z- J
; j: [$ Z% R" b0 t$ k    while not endfile(veetor_file)loop
7 y% ]4 m8 \' Q' N
; c# h/ I0 N" `* r8 j. |$ P- N    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励

4 ~1 v. w" Q0 O% t( c7 C" X    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
6 D- O% L4 p4 Z# o: P
    read(invees，ch)； 一一读取空格
6 z* v/ n% b* L4 u2 F) ~
" h' q0 C2 c0 \9 u+ K    ……
, t9 s2 K) P. f9 b
; o! i- r+ Q6 w5 @# c  l0 U) ^5 E5 s8 S   

    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
6 w% Z: s2 G: Q8 L
    read(invecs，ch)； 一读取空格
% d+ O( [3 G4 L( D1 T# @
4 m4 |; [% A' K9 j& I    ……
& P& d$ t0 y7 X* w9 e5 ^* U
9 X. z5 `( B/ b. H   
2 s+ d+ }2 D$ E' i) `7 S' E
7 F- R3 j2 A6 x9 c4 }9 ^* X    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
( q8 q" C9 c* y2 N5 Z6 `7 {3 V% ?
# g+ N  u  W5 T, s    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy

3 {8 P0 D  M9 K9 ]  u    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

    ……

   
0 G( n/ m8 a) e/ Q
% R4 `- o# a' J6 \2 T    caseiis

9 I" A% {, m, k1 ?6 Z0 H0 ?6 W    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
" \8 z9 y" v) D+ o# Q  W* J6 h/ s
$ @3 T' _+ s3 r: j" c2 T) [* U    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
0 k5 f& o$ r! x3 x
7 p" w+ A4 o/ v5 D# P1 P) m    when other8=>null；

    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；

    ……
  z9 ]1 i* X0 j
3 U' i+ ~0 `  }+ [+ }   
0 L" \- q# O/ C  X, r9 E( J
    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

1 S0 ?/ R0 `' F2 k% |0 l2 j# Z- G3 L5 p   

    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。
# v& `& ^5 m$ F4 A! J: |; Q
) l& W9 @2 |) G4 I$ n   
1 s$ Q* U9 A9 e
  p7 _  H  P7 [   

   

   

6 s  q. Y6 I' I    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。

   
9 Y7 Z7 |: R7 _: Y