matlab

YShangJ

1 引言
- N; ?6 i) {% i- y9 h% s1 m& U
   

5 f! v1 O1 m$ q9 h    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。

2 ?0 O# W3 z2 ^$ {. d( D6 w   

! g+ c* A2 v# z1 r' G) f( z8 J6 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。

% a# {& P- T/ y, n7 M. Q" p: p   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
, t3 e$ z4 ?) D4 J* R" U7 I
5 }( d( C* b2 i2 g# L   

+ D0 F/ S1 E9 g    2．1 TEXTIO的功能

+ b& Z, u. G2 L3 r! o$ J   
- V2 J! u# E; C: `+ z* O& |, T
) R0 M# }* ?0 t- D. C    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)。

  {8 d/ i5 q% b/ S0 R   
2 z" \; F7 ~+ j, R
1 I; {, O9 r3 d* A    TEXTIO提供的基本过程有：

   
0 U1 m. f  `9 k/ i! L( K/ @
9 g' K$ ~3 t0 k# F9 [- i9 f( o2 s3 }; 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；
, l% P5 O+ I0 |9 e
    (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；
$ e  J0 N3 n2 q6 n! k: w
    (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。

6 [% n+ n$ n5 C2 M: @7 j   

    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+ Y4 e- I3 P! z& J2 C  ?. c+ l: S
) G9 {: H  N% h7 G- O4 U4 G   
5 e- H/ t! E: F& }% S2 k2 P0 C
   

, T* X0 V7 D" C- M' B   

    2．3 仿真测试步骤

   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

3 U, K) _$ v# W) F6 j0 q   

! o' N  Y/ a! j1 Y; X) a, p: U+ b    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。
( Y0 G( [+ E4 C5 |! F6 \& R) y& p
- o5 Y% W& h" h8 q3 J   
* E* C4 y: Q! _- L
    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。
# l; d& \2 S. m* I
   

    2．3．2 编写TestBench

   
/ s* u% \& ^2 k4 L  i% K% [: g
    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。

3 N+ a$ D5 n1 v1 m" @   

% ]( m5 z+ D  |2 }% a    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

   

- I6 Y% j: _# c    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。
) k5 H1 O! E' c' I
( o6 k) H) G5 H% g   

    2．3．4 结果分析
% v: r% w$ e1 B5 C
# |0 @, K! R2 |7 n4 V   
+ j; e( \0 Z% s! K+ d( V
    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。
! d& D) h2 ]$ [
5 B9 z: n! [, y% F   
' R# T& x3 L! `. N( Q5 i) m
    3 仿真测试实例
3 S) i( ~2 P! ]$ w; ~4 Y
* m- j4 S6 J( z$ B8 v( e# V3 K   
$ K/ C4 d. Z  {( ^; K$ y
- ]/ C# i, E) c+ Z4 h, ^/ o    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
( i0 z7 x! S4 k) j6 @4 y
* Z) T; g7 r+ Y  x/ [   

    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。
8 @* U7 @2 |8 k7 C6 o" E* y
   
3 W5 ^  [+ T8 z/ m; V1 p5 b3 c
    3．2 需要产生的测试信号及波形
" B6 f" p# Y# J9 m, [0 ?
5 \' @' r, v* b* G+ y0 L$ I2 ~   

    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。
8 z8 W8 u0 p. S) F6 e0 v. ~
; F& |* R7 }  M/ e/ Z0 @8 E+ @   

; k- Y; Z% j3 a& M   

' e! _3 f( e7 \& T: J+ K5 X- ?    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。
% Z; D& R0 R+ G4 v8 Q- y( P
: o( Q. w- t$ U8 {5 y   

1 Y2 p# J- i$ L- y& O+ N, e+ q& B, @    3．3 测试信号的产生
; h# j: k$ L6 n
   
/ x; k+ E' y; i2 S9 D6 f
, a' W, k1 o) i4 o    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：
5 U& x9 x; O$ p) H
+ t8 I. P) f  r& h; m+ H    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
. T7 Q6 R: ~$ y, O# F4 Y
. e+ I' E; V6 ]4 E. f) u    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
$ Y" ?, v. q9 c# D6 Q& ~- @
    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

5 L/ M- Z! V) e  ?    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

    HORTIME=64；％行正逆程总时间

2 E1 H- ]; f& `    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

. |/ o5 I8 [' g  o) i    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

    荡器频率，图像X方向分辨率
. h0 \% ~. e) `% r4 t8 r
% a1 k  u2 h2 ?% W% E- F- b    ……

   

$ q& y. o6 k" C: F- Q    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

9 \. a6 j. V$ @, y+ S    for j=1：1：YN；
  \$ C- e& n) Q: Y0 D' f) h
: X0 E+ h+ s; ?. ^) M7 U    yy_j；xx=0；

. N) R. Y. r/ |  y+ z+ y    for i=l：1：HORTIME*FZ；

; M2 O+ @9 \6 b3 ~' G2 L    ％产生行同步激励

! }& R- q' I- c+ i# y( h' w/ g5 Q    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
, Z3 |# {2 |# v0 D) _
6 U! }: a1 Z, R& R; s* N    hsy=l；

    else

    hsy=0；
" [: F8 s# b  J2 Y% T
    end；

    ％产生像素时钟激励

    if clk==1
3 E' k) r1 m7 F
6 s! @; Y/ b5 u. X' j& |# s6 ^    clk=0；
* P9 K$ v- @1 W" k& e2 \9 ~  W
    else

1 x* \" M. [$ r; y* A" ]. E) L    clk=l；
1 ]+ p" Q" P4 ?
" w7 v0 J" s6 Y% g0 [/ F: T6 P- k    end；

  k4 N& ]7 z% j6 e7 _    ％产生CCD激励
4 X4 X: g; I1 C- G5 @' [+ S
" l% B6 F0 ~+ [2 k- ?# }$ q    if i>NEGTIME*FZ

- m$ n0 W, C( G; U0 O    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
% _5 A+ j3 ^9 P2 D. q$ H
    ccd=round(image(yy，xx))；

2 M  o+ G: U$ C, |/ y/ X    else

; K4 r( L/ j! N0 A    ccd=0；

- [$ Y" {% c6 q    end；

  f- v7 Z7 y0 N    ％将激励写入测试激励文件

    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
. J( r$ y4 D9 d! ~
( f% [8 F) i: J- L4 l( o    end；
# a# e( j0 r. o6 q/ |! o5 U* q
    end；
7 Q  r0 A  y0 e5 b9 }) l) F6 H
4 [: V6 Y0 S1 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：

. h0 c( @% Q8 e2 h0 l! I9 \: `6 `9 H! d: l    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
8 X* R: G- z9 y$ z+ X4 O6 A
    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …

   
8 G7 O  Y9 k+ L
( T5 ], @$ q4 {0 K    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

    …
" m: b3 N5 R' j! B
) X" W6 l! |) W3 i# ~# M5 ]   

5 J# Q" T" Y6 v1 ?. g. k    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。

. N2 J6 ?5 k" a4 @9 R8 [   

, M9 I: V7 b+ H    3．4 编写TestBench

' a, m4 G! E' F0 m( t, A1 x   
) H, W1 [- e: X7 |2 k' U& ?8 n
    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。
7 s7 H- A8 p% h3 V/ y% X) @$ u
   

    以下是TestBeneh的核心代码：

6 `/ s1 @. ~  ^, r7 E    testprocess：process

    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
9 Z8 y9 b  g3 x% i# A
    inp”：一指定测试激励文件
6 b) P0 c! V6 z7 o+ E5 A8 S
9 s+ ?! |0 M% @; ?  d/ Z+ i    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
& B  ~4 T. V5 `% H% g8 A* |- j" y
    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；
% B* i) a* J2 T5 O1 D/ ^: |; r
8 K/ w9 U1 t' [1 S/ g' d5 I    variable good：boolean；

    variable eh：eharacter；

    ……
' A6 f( f5 ?8 Q: B) Z  l3 R
! F; v  a2 T% B% N$ ^7 c" y- K, M   
& a3 G3 w( z: T8 M
8 l9 r% j1 j& R$ c3 L    while not endfile(veetor_file)loop
) G# }4 `7 Z- c+ P5 \. K" r! U
    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
- R) {6 n- w4 H9 M
1 b" v( h! n% B! c) F& y: b    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
# j9 ?% |9 Q* a, }
    read(invees，ch)； 一一读取空格
9 b" y/ y+ ?, A& c
3 G5 n5 b% O' ?    ……

   
, u7 L) ?0 h7 R. e0 I2 n* E4 s
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
" A2 L0 J+ h6 H: J& q- ^
    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……

   
# x( w5 {7 G3 l1 D: Y# e+ @* q
) }  p% v! n% l) ^+ F; S! ~! P    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
( r/ }2 Y: p2 m: J9 b8 h: J% e
) X+ J5 E6 }  t    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
+ b3 F+ S% m% F2 }- o
, N* u& G- @- o, B) B7 A. @  J    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
( n' @# u* e/ y( n% b+ B: |
+ C' [5 R7 j+ J$ A1 F; z* ~    ……

   
7 `: m' Q4 r+ l0 Y
/ s2 ^1 X3 @( L6 t, t5 ?. S    caseiis
5 {( K0 [3 w( t( c8 ?, k$ P5 A' T1 q. i
    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

$ v/ t: M9 {' ^& b+ U' l9 o: W    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
- C& S8 q# B( V4 z  M2 ]) A" P
2 P$ u5 d' W, x2 X$ o' L. @& t    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

  z  D% z9 K4 h2 H    when other8=>null；
0 Y! J0 x" r0 E+ @) P3 e; g: J+ F
    end case；

7 b& x! M6 A, H    write(outvees，string’(out_string))；

$ \1 B, s1 t5 j; A    ……

   

    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   

    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。
) n7 n+ Y* R2 O. [% x. |/ O8 U
   
8 c( K1 J  \. G& Q/ U" j
; C8 G& k% U3 k2 u9 r0 i2 [+ O) Z5 M/ \   
1 X2 _) |7 N9 G+ H
% p; q" P4 ~' E) Z2 `3 k+ B' d   
! C9 y; a" G, z! Y, K
6 d) X% ]6 \' M# T6 Z: D* U) M" `) O" Z   

, c3 Q9 a" f, a8 u  |/ b    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。