matlab

YShangJ

1 引言

0 v) L; h0 M7 R   

    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。
6 U& B! G) x% ?# x: Y+ e) B5 S$ ]
9 v  ?' n$ a) ]$ |+ q) s   

    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。

1 x& R% y4 }) F1 P* Q9 ]   

* Y" q: w9 e, C8 [    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
8 v9 j) T. u" u' [7 Y
$ W5 e0 H& b+ V5 H   
- t- @- L' m$ m/ z1 g7 q
; g  V+ t  h, C& S+ C    2．1 TEXTIO的功能

   
# F$ c  G/ O* S) l# 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)。

$ X! v6 e/ s) `' J; _/ c* D   
5 s& k6 d& X7 c
    TEXTIO提供的基本过程有：
! I' u8 \. l$ y- [
   
" {& m. b3 K) G) e
    (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! v0 O2 _, m5 v1 U6 Q) t% ~
+ x6 C2 U, X$ s# s& Q7 c    (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；
+ O/ u; T( _6 M$ V+ a
    (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；
0 \" B9 H2 g5 `  x6 U! D
5 @3 q: A6 |1 h9 l9 q4 r3 P' D    (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。
( E; @0 L2 `$ ?; p
   

    2．2 仿真测试方案

   

; A; p7 Q  ^- ?$ y    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。

& G4 M1 h- j2 ^   
' ]* |- Q2 w6 \  J' \' r% ^
$ O4 h9 `  ]% s0 G& m   

   

    2．3 仿真测试步骤

   

: X; Z  t/ X/ `    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

   

    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。
& l: _. s* i2 ]# E8 v
, C. k6 L; n7 G1 ^8 ^$ t* r   
0 V# H5 ?' b0 R8 k: 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。
' P2 d/ Z, X  X  R! Y) }! p3 |3 K
   
. v; F) y) r: \$ @7 j
! e  v* v: g2 A    2．3．2 编写TestBench

$ J* A: R5 v( d( z7 t/ N% m   

; j4 ?: R2 B3 x  L$ A    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。

+ L7 C/ {, [  E6 T- Q- i- ^4 O   

5 `; Q/ x6 \2 [    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
" ^. v# i" n% \
   
  d, {( M( s2 j( q$ G
    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。

   

    2．3．4 结果分析
* Q! L9 X3 p$ A( ~8 [( Q5 A( m
   
0 h9 M' L0 D2 E1 p/ Z! Z
    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。
9 F5 y$ a/ l- K, c) ^" Z
   

    3 仿真测试实例

   

    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
7 P6 M: {) ]7 q) k) J, C
   
) s% ^7 H4 V  S+ }+ h
    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。

   

& w. [9 t" |; V) d7 n! U7 e' x0 \  c    3．2 需要产生的测试信号及波形

   

4 c1 `7 ~  Q' p+ f/ d! R8 w$ E+ G    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。
' s. S1 n# x' N" B
7 B4 a! f8 N" J) y   
; c; e$ T7 D4 a2 b
   
8 D  z) _- o- c9 j0 R! v0 @
4 S" \$ M' K+ S3 @    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。

   

    3．3 测试信号的产生
/ l* x2 u& u2 F6 i" C8 }
) p- S; {" X7 I8 u# O: e  c/ G   

9 U8 Z' O+ w0 U9 {) P# L0 c5 }) ]# J    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

- r5 m1 O2 R6 K8 F& b   
$ |. G4 Q! d! b1 d2 p, E9 X/ c
. f. q% ~) J2 Y    以下是生成测试激励程序的核心代码：
5 ]" I1 z" ~0 \; w2 g
    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
8 J4 l/ P: f' i- |; J# W
    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

* X9 M. S  K) y! G    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

/ A& \& V8 j8 f/ ~8 {+ c( Z    HORTIME=64；％行正逆程总时间
7 I- v3 u0 v0 Q+ h
# x; t" p# e- B' m1 n* D; y    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
2 @" S9 i1 [+ m  e
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
& c: [# |+ a. X" u8 m6 K* D5 _/ T
    荡器频率，图像X方向分辨率
0 g. H/ k1 |4 |$ o- A! z, j
" K% h& t4 i3 z6 x, |$ P    ……

, D! q- Z  c3 w2 b   

: S" j( y* |% @4 S! M) Y    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称
* g1 Y$ ]5 r4 y' X: [. _
    for j=1：1：YN；

2 D! Q+ }; p; @. c5 l% b    yy_j；xx=0；
. q6 z5 u# {- `# o3 G& r& v
0 b% m: I  z/ }# n    for i=l：1：HORTIME*FZ；

    ％产生行同步激励

    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
5 v7 r5 e* o1 f1 Y9 M( r2 n+ N
1 E3 O) P; x. S    hsy=l；
5 K, v3 ]5 k% \4 y/ r; ~. U7 Q
    else
9 ?- E5 i4 o, h; S0 p+ ]/ u) a: j
2 v* Z3 {1 l5 \' I0 [    hsy=0；

6 ~6 I9 I! z% _5 i* K/ J    end；
' A" T* f2 k/ m! j( u0 q
    ％产生像素时钟激励
) L" I7 c7 q( a1 f, g
    if clk==1

" P) w9 @+ q- M' S' H    clk=0；

    else
) _' _: O$ ?" f! Z; _9 j
  x# c( c/ U* P' d    clk=l；
9 t+ t5 y3 Z/ u! w  |
: `, f. Z, g+ _; U- ~    end；
- }: G) r; F" l: o$ o
: D" D, x: s$ f# `- P    ％产生CCD激励

    if i>NEGTIME*FZ

    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
) E1 |0 S# k, l5 T' H% A1 q
7 f$ S2 `$ l. h$ q/ U    ccd=round(image(yy，xx))；

    else

7 j  }1 O+ p' f9 L, E: `    ccd=0；
3 w5 s0 O) {  ?
* R; i+ L; ]/ N* c* m    end；

    ％将激励写入测试激励文件
) E! b" x6 P$ m! n$ T* H
    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
4 i+ c5 r% v2 m- E5 ^, l
    end；

    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：
, U& D1 v2 |/ x  V6 N  `) G7 ~
    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
0 L2 ]) `1 e" l7 T! n0 G6 a
! r) I( K0 n" F4 n1 g    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …
! V% i4 D1 ^& z' c
, A2 [7 q* m6 H" Y- ~   
& C" m: j8 ?8 |. A- F' ^0 y! q
- c& ?( B  m0 M0 c: u$ ^9 b- `1 `    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
/ t, Q% j8 V1 V
    …
2 S& I  N) F7 S% t- f2 Z# x6 M
   

    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。

* d. d5 ]+ F2 y& w   

$ h# g7 M7 g$ V/ ]2 K9 g    3．4 编写TestBench
( L- M9 x) ^# J/ U/ X7 _2 Z9 F6 O
   
* Y/ {8 K% ~3 ^
, U- {) n. Z' T3 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。

3 N$ ]' r6 d! Y. H  m: ~0 a5 a   
+ q! ?6 F- ~! y9 b  m
    以下是TestBeneh的核心代码：

( f; T: I! [3 V6 h    testprocess：process
( \3 b& g8 W: b0 t
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
2 m4 }2 _! h, y3 [
& B. T# Q6 N& i    inp”：一指定测试激励文件
) N, q' F7 e. B
    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

; w/ L1 \5 q* _& V    一指定仿真结果输出文件

  @9 y5 N. ~9 X) G" ^" a    variable invecs，outvecs：line；
7 L% o2 }7 u5 F  x! r8 r- F* [5 O
    variable good：boolean；

5 v* U3 _# Y# t7 m$ ^    variable eh：eharacter；

3 w: G1 `" _2 [# F( Y9 R) _5 Q0 S    ……

   

    while not endfile(veetor_file)loop

7 _! S0 [+ ?6 j    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

    ……

  Z8 ?  `) k4 A- ~) K  G7 h  W   

    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

3 u! L( b$ c( c1 G, L: M: A* `5 d9 c    read(invecs，ch)； 一读取空格
. {) w% x8 W  Y7 w" e  X7 e' c+ ~
. o# x# n1 v6 r    ……
7 j" J7 j7 b! r$ `& G% ?* i
   
& g4 J4 y% W' i, t9 u) O: U
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
! ?% i. F3 _7 ?, Z: C
    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
9 |6 J2 @3 k' y7 ~4 {
3 }5 N! w2 h' p; Q: R% @# p- ~    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
7 G: @, C9 ~- k  L5 q; n0 n, Y
    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
2 @$ e$ }1 {7 i, `; Z, d4 p
    ……

0 D) T; ~5 W* x$ P, J8 Z7 K   
  d2 {/ Q; |) g
$ ~  p1 K$ s9 h% G/ R* g* D    caseiis
8 U1 V; k+ b" F8 l% J
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
7 {: ]+ }; n$ ]' I$ l$ \4 o1 S
2 X* i, R1 Q1 e: c    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
8 T4 \$ q# A. n* H4 \9 C6 \: k) J
) a1 y% e5 M- y$ K6 \    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
* n$ ~6 s7 u# q* e/ M, v& B8 H0 Y
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
  w+ Y  W$ b$ N3 R8 B: ~, V
    when other8=>null；
! V# N. C9 V/ ]2 i
! o0 }/ W, r" Z/ _& l    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；
6 x  B! q5 U: h& M8 E8 Z5 H
5 `2 u, o1 T: u# n' z    ……
$ n6 c1 x5 U. K' i. [" J0 F- Y5 M
, j4 g+ A( ]3 Z6 n/ a4 k- c   

    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   
, i* t( R; t; ^
    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。

' R# q1 L+ x7 {+ D  `9 S: |   

4 O- q9 L$ \6 l; @   
" ~. N1 r3 S) x7 R, d5 q
   
6 {; o- F% r+ A( r
   

* r$ ?2 U5 n2 o" _& o" m! U    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。

   
( |. k0 D3 j% B9 [' P- Y' c# |0 W