matlab

YShangJ

1 引言

2 g7 e7 F& p6 Z  M   
) k7 Y$ c& _. D
+ G0 i" |& t$ P$ _    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。
; ?+ G" ]5 q0 O
! a8 P* s4 R0 G   
4 {. T% Y* _0 p- j9 _4 d4 V
9 i' ]$ n  Q8 V    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。
% W* a2 ?: D1 Q
   

1 O( s- D+ w/ u2 g) h    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
+ z/ ?% {; I, n$ u! {4 o- y
   

    2．1 TEXTIO的功能
; j* f* w3 }' z/ @' ^, ?
4 k' i9 ~# n# H3 @   
9 f8 w& A) X1 W6 S( h6 [' n$ f
# ?* }: B  c  k    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)。
$ A5 s: D* E- j/ [4 B
   
. j7 ~+ c, w8 Y# T' B8 \0 D
    TEXTIO提供的基本过程有：
+ h1 x" h8 g6 e. a" A+ Z
   
* r! c2 n# g: J# s. i! w3 F
    (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；
3 C( X9 N3 _/ e4 T# J
; r+ O2 w% }3 K, U* E9 o    (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；
) s3 g/ i$ r. @0 a& S' o0 t
- s2 i6 Z7 k  Z' u7 d5 C) m8 Y    (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。
8 ?9 J/ S# \( i5 s! h$ x
   

    2．2 仿真测试方案

: \9 u2 [1 b2 `& R. Y   
3 G# Y( X* V1 `1 E* f) ~7 w
& s- p5 p# h5 M8 V( f    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。

1 u: f, X4 `) S# X* u3 O   

   
2 n. h& j+ |1 a; G/ A# H
   

* y' S/ p7 p% k3 b0 E    2．3 仿真测试步骤

7 c, ^* ~: }+ ~4 S   
, V& `2 t8 v. \% q- W; p2 _/ C& ^; F& M
8 D+ ]; H& }3 r# |: }5 W    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
/ R: [! g9 H4 {2 K- l
0 g+ _: F/ ?# h, z  l( p0 i   

- u  _' \6 p3 T    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。

1 r; C" {5 L8 L5 ?, e6 k3 x   
' u6 [" G/ O7 B/ M( G6 I
' k, v6 M) M" e+ |    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。

" n: b# \" Y3 j- {   

    2．3．2 编写TestBench
! B3 T! z# @  @' V
; y; A, ?! ?5 U3 }& N$ q6 y   
, m2 L- N" H/ M
    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 |- ]: h) w& @0 a$ a   

4 I! Y' D- d; \" t2 O, Y2 v$ j    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
5 |7 D+ W5 H0 w1 v% I
  N4 M& T: R( r9 S  o3 z! n   

    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。
, L' O3 G- V7 |3 z5 B3 {
' e- I* K& s- W) V. z5 a2 N   
+ [3 X. z- @" Z2 i; u
    2．3．4 结果分析
/ v9 c# o3 a; A& b9 V
  a0 d3 }' ?! T% }+ c( C4 a   

3 G% m: Q0 ^0 O5 |5 g    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。

* v+ o9 Q$ E% e+ d- i   
6 y% t1 }! }8 \( r5 W7 j+ L  s
    3 仿真测试实例
, {* N$ P# q  ~: e8 I, |9 \
   

    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
. l# c5 ~; U  I8 |( m
+ O6 n% ]0 {$ q* }$ |& A% g   
% Q; Q! w4 }; f7 z2 I
    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。

   
. T, o# ?9 U8 `( N2 e8 k# \8 x7 P
    3．2 需要产生的测试信号及波形
( y. D1 t% C6 i3 @5 {6 Q
   

    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。

   
$ q% [' j- Z& |0 ?
   

    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。
% I) w7 Q2 ^+ c# [" P, D+ T2 Z
   

- b* k, o0 P0 g8 v2 B3 G! G    3．3 测试信号的产生
( W/ @9 F8 C8 v+ \, |
   

    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
! i- i9 B5 u" Q: Q: l3 }) v; G$ }
   

    以下是生成测试激励程序的核心代码：
/ L: W9 A' \  u
    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

& S( R0 x: ]* X8 |  F4 B0 |) j4 \    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
; e/ S$ H5 p1 c6 Y6 D8 c: J2 c
    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

/ o  q6 S: O, d; c    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

; w8 e# O, `9 z    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
4 x8 ?! H$ o6 m4 m( D" G. k0 }
  S$ S" _% o) V; f$ u2 q    HORTIME=64；％行正逆程总时间

    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
* a# T# F1 T5 r
& _* l" c* o2 r    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
4 `( |& X( m6 {+ u/ J% f
7 L' Y* v# a, |; a1 G% t5 T5 R    荡器频率，图像X方向分辨率

- w% i: T# Y& B9 N% K    ……

   
( N9 p7 ?9 @' d1 v
3 @! C" B5 V0 z0 N, X! i) h) E    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称
( _9 h, Z0 h" ~: Z& y2 F
5 U! [" k" g( x4 g' l" [    for j=1：1：YN；
% {2 Z* `0 Z) i
    yy_j；xx=0；
) T* @$ I9 n- ~6 s
    for i=l：1：HORTIME*FZ；

+ W9 O: u3 |; d( W    ％产生行同步激励
5 |2 F* N' e# A8 v7 Z- |8 o
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

    hsy=l；

    else
4 d. h) r% C2 U* ^) T
: `3 H' W! r, w    hsy=0；
8 N3 ]/ O0 d: F+ P$ f( `, P6 Q
% B% u# E1 Q; s2 u1 L8 e# ~    end；
' ~# j- \- @0 i  i
    ％产生像素时钟激励

    if clk==1
3 P0 C8 H! n8 ^0 T- B
    clk=0；

$ _8 D+ y1 O) v6 U    else

    clk=l；
, q5 Y. e* A- r$ x
    end；

; c  Q- M) q- l' z4 L    ％产生CCD激励
2 _8 k7 J' R+ ~+ X
1 j" V  D; K1 {+ d. b. D    if i>NEGTIME*FZ

" Q3 h2 @6 ?5 |+ X, o# b+ d  b    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
% t7 }* T6 J& {8 S6 @
    ccd=round(image(yy，xx))；

    else
  @7 U* k( d0 P% U. {9 w7 M
, B+ \( a  E: r! H) z0 g5 T# T8 ~    ccd=0；

    end；
% Q4 r* C: C! d
    ％将激励写入测试激励文件
  V( y* J3 k1 H" f' e+ d
    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
3 \7 z6 ^) m" |9 H* j) ^, Q
6 K" J/ ^/ o4 X/ G9 T7 T3 C    end；

) U% L8 j( k6 C  F2 p    end；
7 f- v; f9 H9 X4 s
    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：
( M! _/ R$ A- N" o2 B
6 z/ S# Z1 J, r+ C! U& N% t    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
+ Q% Z) e9 _/ P5 Y- Q, `
9 ~+ {3 l' f3 ?* Y    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
; S4 \, B; d1 s) D# z
    …
6 l# U  m# r/ r% t- o% S6 ?8 f) n
9 n- C* R5 K5 B0 W   

    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
, I9 W5 Q. b8 U4 X/ g
; S& t- i! E. m* i3 Z    …

$ ?. |' \, E! r, Z$ b; u4 @0 V   
& |, J4 d6 s0 D. k
) v  F) a9 D2 B    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。

   

    3．4 编写TestBench
  Z( [; @# U- u/ `% ^
   

    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。
( M' A/ }+ w6 P
   

/ U3 L) {) D, d6 Z    以下是TestBeneh的核心代码：

  X' r# J0 f  g0 n$ N: g4 c- Y    testprocess：process

5 |! w$ R5 }& a. ]" }+ H+ l    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
2 F% C- F# Y3 T4 T' q% }) b9 ^: |
    inp”：一指定测试激励文件
4 l+ j, n3 {% L1 X" y( H
    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
8 }8 a5 ]: A9 B9 C8 I
9 b$ }6 {' r2 d  |8 O    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；

% S" z" C; w# \; e& P+ M! V. E+ R    variable good：boolean；

; ?. d8 K, @1 ]6 o2 R; Q5 v    variable eh：eharacter；

& h  G# I3 B8 s$ X* |% D    ……

! u6 l) m) c6 u3 H( Q# ]' ~   

& R3 t5 e" Y. p2 H$ M2 s5 p    while not endfile(veetor_file)loop

    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
* x( f* |9 B& \% Z
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

    read(invees，ch)； 一一读取空格
# l. J/ B0 l. h9 `% C6 l  k" C! I
/ f! i& h' f" T/ S    ……
( E; Z4 z7 R- M# p7 r
   
7 I( \& N9 Q- G) L/ J& Y8 \+ A  s
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
( B  Q) v  P) v; `, X6 A! m
$ {" }# K, Z) M. C3 T    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……
  v4 ^/ F" h! \- ~& l9 k
   

' F; D2 R; y$ s8 f3 c" t    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
- M6 p; c( k; h; B. C; j
    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy

, k0 Z) h- g% q    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

- W3 L0 h/ k3 h    ……

   

    caseiis
# q" j% r% t- k/ c: @& F( F
    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

1 }4 T7 O5 S1 a2 _/ g2 a, s    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
' |) _1 r' L! o/ U8 l9 p: [# ?
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
6 ^$ ~: R" V4 p
    when other8=>null；

    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；

1 U4 Y; @2 T9 _8 K; p: Y4 g    ……
# B% k* Q% j: J7 Y  l
   
, H: D$ H) u0 O% u; B
    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果
1 E& I8 C8 u. T3 u- a) `, z, y* t
   
% m: L( y, n; L: F
* I+ z8 S* O+ t& T0 t( Z/ J: @    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。

   

9 ?/ q/ L* [9 R# U+ ~; B7 |   
) W( r  O: e) H& m6 R
   

+ X* \! x+ M, p; o8 N0 t  }! k   

    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。

1 e) J5 {- M" }' E5 M7 W