matlab

YShangJ

1 引言

   
) }. C! Z6 o8 N- G+ D/ }, q
    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。

8 S) V( V8 @; w, @5 d  J1 A- y- E6 R   

. X; y! M6 [% r' m0 A( z  o; u    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  r* p2 y9 W9 V2 b. @
) s! p" o% O+ T4 r7 O9 z   
/ T$ \7 W8 ~) T5 y
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
0 D2 _% N4 U( x- r* f- ^
9 L3 D0 {! r7 s3 o7 C   
5 N. i! E# ]3 ]
6 J* j' g8 x2 J$ D3 I9 K    2．1 TEXTIO的功能
+ A3 T- B$ E% R) V7 `4 ^8 H
   

    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)。

5 [/ k. ^/ `+ d; W+ A' e   
* D1 _" X- I) r
    TEXTIO提供的基本过程有：
+ ?# Y) c; ?$ D6 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；

! _6 n4 A$ T" ]0 ^! b    (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；
) }5 n% Q) s/ r9 K0 {
6 y; q! r6 ~& b    (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；

    (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 o/ E. y- h% c" ?' ]* G
+ D8 G( R2 ~1 \1 o, c" \   

# M! U( u6 O9 K7 c# I( w    2．2 仿真测试方案

- _: D; K& _5 |( K5 Y3 }( P1 Y, Z. j   

& ]! `$ X8 i  `/ j/ ^    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。
" E9 T+ k9 g0 z( A3 M
- I/ @8 ]4 d& s& P7 U2 C   
+ Q+ @: ^: z) p2 A
. T! s3 `2 s9 Y4 W% P- _# T   
" K- Y6 _. A' a' @6 E% m4 _' A
   
9 i" K0 d1 W( {" z7 v" m/ @. g# Y! F
& b% x( y4 v8 ?8 q9 q, Z. q$ Z    2．3 仿真测试步骤

   
1 k. S1 `. ^! c" D' T# r$ Q9 {
    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
- y$ c( F3 P  G  Q) S- u
   

    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。
* _2 f- e( c5 S
' a& u5 _' ~5 f+ k( c   

    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。

3 D% [/ S0 g9 G2 D7 u) s3 R# r   

7 d* ^! u1 h8 e+ d7 p0 w$ x( i    2．3．2 编写TestBench

+ [- P* i! w; o% H' i   
6 ~% B' w% R, `( m# e( ~
    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。
2 f7 T0 Y3 V- ~9 C
4 Q2 ^3 t- F# ^' _1 ?' G( N! t; A   

. M$ i3 N2 L8 Q, q    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
  ^2 K2 D" T! o- n
   

2 W& c4 ?; s+ D, M) i+ f3 p" y    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。
* r- ~  ?: @' ^0 J6 Z9 _/ T
" h# b! h- Z9 `: i, l6 p! y   
5 E& W6 t- o7 B1 u( f
    2．3．4 结果分析

5 g: Z4 \3 d  y. i) C6 ^+ v8 u   
7 Z- }+ T6 i' N$ U( R8 f
7 u" B( ~7 M* ]% k) l: C    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 S  l" `; P% v$ S0 n  T
   

    3 仿真测试实例
! X% J4 R) }1 q( {; O# T% ~
, w5 T) X+ g* }( d) H3 x" p   
; p; r& g' Z: z
    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

   

    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 X  y0 D& d' X# N
   
8 y! h$ q  I( Z& @9 R- E
2 y! p* K" \% D3 r0 U- `    3．2 需要产生的测试信号及波形
. P  C/ y) y' L5 v2 b
   

9 J9 A" b4 u- {9 K    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。

   
7 P/ ^$ V7 f" d- C$ r
   

5 G) ?$ s1 U5 ?    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 }* q+ u/ i, ~- _% [* M
# S- ?7 Y, I; g% L0 D9 L, s6 b    3．3 测试信号的产生
' `3 s: e# }6 k9 w
   

    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：

, F7 T: N5 {4 C1 |- @7 l    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件
( u* O- [; u3 ]3 z- E
' E+ W! m  h5 c+ t  n; X$ L, X$ J    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

* @; a" N9 A: s- u9 A4 d    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

+ u" j3 x4 t  r% x- l- Q; J    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
5 |1 ^/ n! H, m- {4 w% G9 ]
    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
$ ?7 W; _  f! N2 K8 u: M
    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
, e7 T7 ?0 ~- h7 c0 \9 ]
    HORTIME=64；％行正逆程总时间
8 r2 w" ]% e, O* E7 e' [
    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
9 f' D; l' T$ O/ {
% O% E' y% |, M5 l4 \    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

1 U8 c) R# w% z4 Y    荡器频率，图像X方向分辨率

5 K8 b% _: L9 k6 D    ……

   
5 l" b2 h4 V9 e: O" T% c8 Q
- ?0 j& x0 I1 p# i# S# H: V0 f    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

    for j=1：1：YN；
+ [5 x3 E: I* y+ E5 f
# g' `3 a9 z3 L( N* u3 K6 a    yy_j；xx=0；

& p; t4 n" W  m( N( x  U    for i=l：1：HORTIME*FZ；

    ％产生行同步激励

    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
  G$ \9 f/ [# ?+ n% W4 u
    hsy=l；

    else
( k% h! r1 [3 {5 Z; U
9 H0 c" J! V# E. Z    hsy=0；
5 Z( K) T6 c: O, n3 G' ]: i
    end；

7 _% H6 N$ m) X$ i& G4 ~    ％产生像素时钟激励

    if clk==1

    clk=0；

    else

    clk=l；
5 ?6 q/ W% f0 T* F  d) m/ S' S6 N# R2 w
, b# n5 ?+ L  \9 ~    end；
/ Y2 n& @5 l4 i+ H
9 P% b6 U' q) ]    ％产生CCD激励

7 z3 ^5 p& Q1 ^% R- y/ S% m    if i>NEGTIME*FZ
6 A" M* Q2 O) O9 E! l
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
5 m8 a& Q+ q) m/ @( ^7 B
. j9 P! S4 ^# g9 m% S8 n    ccd=round(image(yy，xx))；

    else
) W' B, E( B0 N
5 y/ C& d! _: R* J6 Q$ o    ccd=0；
7 y! ^" F4 `4 @8 s1 V- x2 c
    end；
; ~' v, w3 o3 V* M5 q5 [3 u7 M; Q
# L+ p% G! m; k" g' n  Y    ％将激励写入测试激励文件
% C9 \2 r, e! @. V* \5 d& H
/ P' W  h: g, }  D6 c  N2 ^0 M& c; [    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
& D9 H  D, W1 ]0 T3 t3 D! m
9 b) t; \! j- ]7 p6 E    end；

    end；
' Y, A. K1 k2 e& n! Z
    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：
# q# J+ r6 g6 b! \6 W- x
2 f9 `9 V) \+ \/ C3 i    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

( h; ]6 y" O5 V" K9 ?    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …
" u4 P5 N; I5 B, W
7 S! m# ~8 ^- Q. d* B# r% b6 V" N   

  a5 ]! w& q2 d8 v8 `    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

1 {( V+ {; o8 b% e    …
. a* Q' E7 n, ^: `* V) q& J8 W- E
: j6 D) o0 F2 P% k% P* R   
- o5 Z3 F& p9 T; O" o8 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。
0 |2 f" a4 k; x; F6 l3 x4 r
$ `: n% M* s" j# f   

+ r; S" @1 l5 H# h7 z    3．4 编写TestBench

" c7 v2 X- f  I* X   

    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。
# ?6 s) b/ Y9 r
9 r% }' T) ?/ s   
' ^7 I! {" ~3 |+ s. o9 C# r% B9 N/ v
" q/ d; d" g, h: s" @) P4 V    以下是TestBeneh的核心代码：
  b: Q! m6 F" h4 Y3 k* [; i+ I6 j) I
3 r# c0 c% {4 G3 L    testprocess：process
  e7 D) P4 _2 T2 `1 T( A; q7 u( b
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
) k( H/ j" \, x( q
6 S/ R0 L: l6 }) i- _    inp”：一指定测试激励文件
" G. I- ~/ Y1 u' G
1 q! ^: ~1 U9 ~2 |+ m4 A  T    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

    一指定仿真结果输出文件
) G( u! ?8 q! C. \
    variable invecs，outvecs：line；
: H* B, U" d9 Z9 _/ E
    variable good：boolean；
( S4 J* h# a# |" O, S
    variable eh：eharacter；

0 T% [8 w) M8 v. A5 V    ……

   

    while not endfile(veetor_file)loop
/ U0 Y% y* {. `+ d6 x8 C0 E
# O6 h# B( c* D' ~: z    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励

8 S9 e" b% a. ]    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

2 a1 t8 ~( U% k! o2 |. p+ r    read(invees，ch)； 一一读取空格

3 l& f* Q: P/ C: ~+ N4 N: F7 u! S( g    ……
0 h$ _2 q* W0 x
   

    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
. c: I5 p1 w! O: \) Z7 s9 o
    read(invecs，ch)； 一读取空格

7 u, j" K* T& M    ……

$ }7 l5 D4 d$ r   

, Z4 `' a& F- x4 J    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
, V4 U/ w& ]- Q& q. p; Q
    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
: p) Q# ?$ u5 ], j0 d( Q
* e& S& q8 U' `& w# ~0 o  {" E    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
% G; T8 q( r1 o1 Y3 p9 Q
# e, h- w, W) w( W1 m2 F4 w    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
# J! `2 w% [( B: m7 I
% i* n# J5 i) S/ e* x0 E1 R7 j    ……

   
7 N/ O: Z5 ]8 j1 i6 A, G! O" o2 y
: J6 o! V9 k: E    caseiis
  Z' k' ^0 g" i3 s, t9 L
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
9 N, g+ u. J/ r- F) o$ U
    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
* f/ M% G" D$ x7 s
    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
5 i* q. e8 ~( f5 m6 O+ O5 s
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

    when other8=>null；
. H8 c, r- I2 v: k  z0 ?
    end case；
+ y, ~# n6 U( o- l) j5 E' T3 k
    write(outvees，string’(out_string))；

# y( P9 o9 g3 c, v: J+ f; ^% d) c+ d    ……

   
% g) a+ T; ?! m: Y, V
' G+ n. i' A7 C! }3 `( u. V( \    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。

   

   

   

   
% L& I. s0 a/ z, v( n0 p) j1 r; y0 m0 U
. K: m( T7 V9 O    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。
' k& h; K3 O  A/ z( |
% W* X6 Z! w3 S5 V   
& B/ K' {, A$ C# d" ]! \1 J  r