matlab

YShangJ

1 引言

2 G! m7 |+ r9 I   
- Z/ Y* R1 J- [+ T
2 F  R. S# @4 W! e: k; O8 ]    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。
  u6 x) e( g% F$ W6 ~( L5 i0 `
6 W4 q. F6 G5 i; ^# M: D0 }   
1 V- t5 ~  b  A' y& s, N
, f, |* R/ X* E/ R    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。
8 K5 L4 l& X8 y5 _
   
4 i0 l+ C9 {# R6 i# o- }, k
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

   

    2．1 TEXTIO的功能

   

+ h( M: c/ w! g) F    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)。

   
6 T* H, a8 Q- B2 w4 k% Z
7 D. w5 y3 U# |; B- W# ^0 ]    TEXTIO提供的基本过程有：

. Z4 J6 J2 I$ d4 R4 X0 I! R   
/ O' @. |3 ?! _- C9 g
+ \9 S- d  Q4 b    (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；

    (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；

+ U* r1 |4 M& w0 \% s! |; ]    (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；
) o+ E5 d2 g) x8 ^/ e# V+ c) V7 U
$ C1 S& C7 ]7 R( C* 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。

   

    2．2 仿真测试方案
: u5 C: p2 M% C& ^. O, A! a
   

! e# d- ?4 l: u; d3 D    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。
9 T. ^1 u- p, k& Y1 c: b
   

2 o; l7 Z: w7 {6 B. t( L  s2 X   
( T; v4 Z6 ?: B4 U6 i
   

6 E& }$ v  |$ m9 m) l$ K    2．3 仿真测试步骤
; N# t& _) |1 i; f7 G) x, `4 h
& n2 M+ S$ V' m* o, H8 b& a2 j) N   

) r4 ^) G7 u; _+ _    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

$ n( d! U# f+ i/ {4 {+ D& v   
; G' j& R$ F( _$ }
  x( c+ Q( C& l9 Y8 w    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。
, Q" h" x$ }. }! o( C0 i0 b) d* O! {
   
' ?5 W9 F& m, G* g+ J
" t% [+ \7 K3 D" `9 Q" P    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。
% a* ]" `" C4 b0 V
   
' ~" x" g. X# R  a% h7 c& ]
% E1 l( b7 {# t& h    2．3．2 编写TestBench
2 Z3 X$ i+ Z) l" J. H3 M3 {
   

+ H( d7 I( M1 ^3 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。

+ w* j8 e+ i2 s3 o* O3 m/ W+ e, e1 b   

& |* I, ^; p3 L    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

) G& g) k% w( w   
6 Z; \- B2 Z; b' f0 |
    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。

0 V7 V! T  N% U( F% y, @% N; j6 D   
$ E+ x2 H4 z* P$ C
/ g* e6 S9 u1 h3 B  \# O4 G; H6 \: Y    2．3．4 结果分析

   

/ X7 N- |" j' h+ Z6 u& t6 a  ]0 ^7 A    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。

5 l' k0 W7 w2 a, o   

/ x! q0 X' D: \7 ?1 q* `5 C    3 仿真测试实例

; D( m3 p4 z: d  L# m) O9 |   
' [+ \. ?- `. l' t3 E. Z! }
    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
6 h7 }5 n: t$ h! [: e% M* a
0 H* W' V5 B) {# c   
# ~9 _0 t5 Y( p
    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。
4 y+ `, }: [% z4 j
1 _3 s+ W  a5 P' E   

4 F1 L: z- ?- t6 k, c. T    3．2 需要产生的测试信号及波形
! E7 _& g2 [+ U9 ?' a$ \
   

0 S4 J1 b; @3 J% C2 w    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。
% N5 o6 N2 T2 K* R' [
0 Y' k% T& ^% h- S2 X; o2 J   

   
$ S# e; {, M( s8 L) V6 f
    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。

   

" m& O/ F2 \+ B" b# j( Z    3．3 测试信号的产生

5 Z) Z2 k, ^/ l* O, z# }0 d" P   
- A+ }) j& t: D% e
/ `0 K! I; ]% N' c( [( x' V    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   

& F1 M# D1 j: a* P, q    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
& {( b: k$ U! m8 r6 @# r$ j. h2 F
    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
4 `9 z+ O/ o3 N3 F
    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
! R1 v# J1 ]6 G3 b
) y% b1 r- G. h+ Q! Z    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

  m3 R9 ]% R: g3 {0 V3 l& z    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
5 c7 {3 J/ c& j/ f$ x# E& {
    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
; S) V6 r5 a* ]( ]
0 l- b( S/ C; e2 q; Y8 ?    HORTIME=64；％行正逆程总时间
3 O4 Z; d7 _5 }" e' y% C
1 u' c9 t" @# w4 F0 C5 g, W6 h    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

    荡器频率，图像X方向分辨率

: L! H* }) W1 G. X6 F    ……

   
3 k+ j2 U! J+ n* ~1 b- l4 C4 q
1 Y) Y% h. d1 U% C; B( h    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

    for j=1：1：YN；
5 q6 G/ b- C2 M- A! n; l
    yy_j；xx=0；

    for i=l：1：HORTIME*FZ；

    ％产生行同步激励
6 L6 c: U2 j+ E% t8 Y$ n
( M, \. B: S! D( c, }$ _2 j    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

    hsy=l；

    else

    hsy=0；
1 M1 c/ }% \7 |. i7 d( B
    end；

* g) }4 i- x" [4 A1 `    ％产生像素时钟激励
0 z0 w6 I9 M( C; F* e: y
; C2 ?5 n" a" e+ C1 e    if clk==1
+ K( K! A2 K  s1 s$ e( I
    clk=0；

    else

4 ^' B8 X) h3 V- @- |    clk=l；
4 v2 ?: G  I; p5 Q0 I3 x
1 v# _; `( n7 g$ }' s. S    end；
  B1 B9 C6 |1 F6 C. O6 _
    ％产生CCD激励

, `8 X. e2 L4 {2 `0 `4 S5 l    if i>NEGTIME*FZ

8 p' E" U: r- R! X7 R' ?. p    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

5 s9 T# O7 d+ X& [2 Y2 _* |    ccd=round(image(yy，xx))；

    else

  ~  z1 v' W7 ?8 Q5 G6 b    ccd=0；
6 V) b+ a! U' W! V% u/ J* I% u7 p% U
: @: r: `' L4 Q) ^. T1 \: _    end；

3 i8 u/ f: E4 R! d: [    ％将激励写入测试激励文件

    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

    end；
+ I% g- Y: Z4 b0 J3 J- s3 _9 r
    end；
8 \! F& }" L  W" Q2 y
" i2 y  Q6 ~/ l4 w# L    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：
; @3 t3 a' t. R7 l) Y
    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

  L' P0 ^; ?1 V) I( |6 a    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …

0 E4 G0 c- r( m4 D1 \" a   
- E: G$ d% e* X1 Y- ?1 U
. b+ w$ r( Y4 O; S6 @) s1 S" q. n2 v    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
6 t: Y3 X( _5 O5 m
  m: b# ~* `( f/ r0 ]    …

) ?: Z3 K5 b; g+ U9 e   

    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 \: }2 W8 o% _, k
   

    3．4 编写TestBench

, V7 n, v; W5 `6 ]9 Q2 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。

9 s6 M% E$ M* M# L# N9 v" L0 ]   

    以下是TestBeneh的核心代码：

% A( s# U. L- p5 n! l' Z+ l/ @    testprocess：process

( o$ T  E4 u; `    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

1 D# x8 ?. Y1 X6 K. n' j# v    inp”：一指定测试激励文件

. Z- q% V9 m9 d' x4 E) L    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

" c2 J) g1 V/ R+ ?8 Q    一指定仿真结果输出文件

8 Z9 m- R# r3 g    variable invecs，outvecs：line；
; G8 b) L# ^# Y' V$ c# x, l- k
' c3 L' z& o7 s% m( M  k) C( a    variable good：boolean；

9 v% o! h, _; e, N    variable eh：eharacter；

    ……
0 f7 V6 x1 u$ U: R  y& t* k6 d
   

* o: V9 p  m6 ^) l    while not endfile(veetor_file)loop
# E7 z; F! L9 B1 A% @* A0 F% G
0 T: e- u  n* H* y* H# a  }% _    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

$ o# j0 a- f* R5 [6 c    read(invees，ch)； 一一读取空格
/ j/ f% i! s" s( N6 e0 m
9 {2 ~9 v  C1 S3 Z5 w    ……
- ^/ Q' h& ~! l4 R7 m1 v2 z+ p
   
- `" Q1 n! q6 |! @4 d: M
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
6 M/ y. b8 A: T) x1 q& q
    read(invecs，ch)； 一读取空格

8 P2 x' x- e7 s- \9 h3 D    ……

- x% ]: u+ Y) K; Y& ~' X3 w   

    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

/ F; J" |/ D! F' n, B' e' f    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
/ i/ `: |& J7 E5 \, w
    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

    ……

   
4 c9 b+ ]( \; _6 h# D" j- U6 U
    caseiis
1 j, R0 r" T1 T1 j& X
' D/ E2 L/ r8 j  h7 U; q. A    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
7 Z" [8 f7 d5 i/ ~& P
    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

& B# F7 w. L2 ]; y    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
9 N& F: Z! y8 O) N: q6 ?7 l' V
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
7 x$ A/ f! q, f, q( i) }
    when other8=>null；
( K) ^' O9 k/ H8 `6 R
/ \9 N- E3 R' i( y8 i    end case；
8 }' e. r; X- h8 z
; K# V# l$ P8 E$ `; |    write(outvees，string’(out_string))；
" D8 b3 s( R3 L" a/ d4 p
$ l8 Z  d) C! L; Y# J+ n, _    ……
' v4 [5 D3 H" M8 Q( |5 u
   
& u- ^$ G& n6 S/ l) q& L: h
- d1 \" U0 l, n( `, P4 [    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

5 Y6 b! y( j1 n" k0 x& f- K   

    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。
# o: R; y" z* `# E1 X# j
   

% _" G8 X& t* S, Z$ p   
0 S5 G4 E1 {2 R& B' |
+ J6 w. X$ R* M   

: Z( s, ~) W* T! P7 E   
. v: a2 D. E& ]5 H) z% D) |1 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。

2 b# G  Z; y: J6 Z$ v4 |* E   
2 |  ~! a: ^& n1 t. `- b$ O