matlab

YShangJ

1 引言
. `8 w; ~! y9 s4 G: U. o
   
. ^6 [8 N. z& W
    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。
5 ?/ _7 _8 t9 D% x/ z, K# a
   
1 H8 L. T* W. K' Y, _0 x& i! i" b2 }
    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。
2 P3 k  c. F* @6 u. P+ o' }; m/ l
   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

$ t# x0 w  m3 H: s0 \( Z& }, N+ a   
8 s4 e. L& B! T+ |- G
- M: {9 A# H* k' p  m    2．1 TEXTIO的功能

2 V, N' r! }: ?% T5 S   
  |- }7 E4 Z$ W; s% ?
) t) K9 \" `1 q- ^4 T' w+ U    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)。

   

    TEXTIO提供的基本过程有：
/ Q, d, h& y2 L" ]5 ]8 s
   

    (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；
5 H/ k- u/ E* s- ?
    (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；
9 V( I1 t% l! k( o4 Y
$ W, x$ e' {8 N    (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。
$ ~# \( ^/ ]5 y6 W! r1 t1 j
! L5 ]) ?1 i6 M6 }   

    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。
! |- T( _/ ?  s2 p; x( l) u5 W
   

$ o/ |/ i8 h( j6 T   
  U  b9 Z- S' ]1 V$ {' x$ ], N
* _0 e5 N& Q, d) e   

    2．3 仿真测试步骤

* V9 [, n2 c+ A% t% V   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
& P" g5 ~' n' A" j+ M8 O: \
' Z; w, A' q) e  Y" g, z   
' S/ h9 L# R* ]# M: k2 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。

   

    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。

( t. |- S! y# l; u. b9 ~* s% r' R8 n: G   
1 N7 O6 B  y1 Q0 u" Q5 Z
    2．3．2 编写TestBench
1 h( a- R8 u! d# i  f8 W0 d
   
9 w1 A! C; W- n7 g9 v
    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。

   
1 p2 s2 j9 D( F
    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

   
- Q  x' P0 T: _1 f) x$ `$ {8 I: a
6 Q5 o' w/ F' J    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。

   

  H, y. Y% h1 o5 }; O    2．3．4 结果分析
$ M5 t+ X8 e( C5 D) @
5 }! A5 |2 I: L3 d   

    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。
; F6 l5 @; g, @) k
' V5 h$ s8 z5 s7 Y4 n8 G   
9 T8 s: d4 s5 m& C- q1 A/ s7 t
    3 仿真测试实例
. B7 [2 q* Y8 N# x$ q" h
   
- ?( J! }/ D' e, L: n
4 }2 ^9 I1 X2 ^- `    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
2 ^9 k, Y1 v& U1 j) v& x
* n/ [) W" A) }% _2 {  l; j1 Q   

    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 \) I' W, M6 h4 @2 s7 V9 B
    3．2 需要产生的测试信号及波形

   
8 E6 G9 U: H$ t9 F0 G
1 B/ h6 c! ?/ B7 D* J7 o    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。
, |  c! B$ |" ]0 U6 X3 X$ [
" z5 U( }" J* i% ]$ t% G   
" n; z, e+ @& U* a
7 X$ L: S8 l5 J, p3 R   
; X& d4 K4 ]. B
    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。
5 m5 E2 I* Q& Y( O  G; m
   
" Y: s6 u& [& S+ H
7 u$ a" B; N/ H/ j    3．3 测试信号的产生

* m! V) B. Y2 }. p4 k9 A9 q   

4 u8 a: V" c) z6 u( Y: t    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   

3 _$ u& S- V3 K1 M9 j7 s# j    以下是生成测试激励程序的核心代码：
4 I" o: o+ \7 N1 A( i
    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件
: m3 t6 q9 T! L; Z; O
1 c# K9 }1 O; E2 h    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
+ t$ I; P8 C3 N) v  E
% L. F; I+ x% C, Z% \  N7 z- b    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
5 Y1 a8 e. m" B! m
# p( W. e; Y2 I4 z    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
: F1 m; u: p, h/ p% Q4 k
) C( I  ^0 V; w' p    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

3 K1 w! ~4 Y8 c! X5 _    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
$ L: p& r  B/ y5 _
    HORTIME=64；％行正逆程总时间
2 p! u0 n3 U( [$ F3 B! s7 l4 T
* w! A% t+ o* f: I5 M0 U0 c! {" H    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

+ b* Q. f1 ?9 ^    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
9 i  L! @$ Z# j: @$ L
    荡器频率，图像X方向分辨率

, ^* c1 N' H. l) j) O    ……

/ a$ p  `. z, H) P   

    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

6 Z5 k' Q+ Y5 q; [* x7 h# ^% n' t    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；

    for i=l：1：HORTIME*FZ；
- f" t" _5 @: B; U
    ％产生行同步激励
& P( n5 a  q3 y9 ]6 A! {
/ s5 @0 x, P' O' ~" N0 I) M: S) z    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
8 L* \2 N, E/ W4 ]
    hsy=l；
! b0 m7 l$ ^. h: u( Y4 b+ ^; ?
    else

    hsy=0；
0 B8 b2 g* D; T( N3 p' I
    end；
4 R: H( q$ R  o9 N2 B0 E, y
* M3 x; R$ o- Y- W! P8 M    ％产生像素时钟激励
1 Y- E) {, r8 ?
$ ?* @; A6 m% D2 ^8 _: \4 F    if clk==1
/ k0 m+ e* b. v: U* i8 v5 o
    clk=0；
  a- k6 |6 |  Q  x; V/ M8 J; m
7 s+ o6 [' @! j/ P/ q' @3 j3 q    else

    clk=l；
1 X3 u* m8 b4 v8 }/ u9 y
    end；
1 f3 n$ K' `+ @  T  |9 c- J
    ％产生CCD激励

    if i>NEGTIME*FZ
- q; {) N  e; S9 E. l( X
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
$ F2 G& v8 v  X; ^0 g. A" `4 k; F
    ccd=round(image(yy，xx))；

    else

    ccd=0；
  e+ l% o) c7 w' H
    end；

0 u% G, Y4 c- K9 q8 m0 s5 _    ％将激励写入测试激励文件
7 j5 b4 o+ L' J# I5 c! D2 ]: @
" b+ n( n& w% Z* o8 F6 T    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

7 _. m7 g9 }; Z% e+ @9 D( g" u# t2 n" g    end；

% {" F0 a1 Q3 ?# `    end；

2 k- ]$ ]! h4 C# @* P    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：

    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
+ v# Q6 e' H, b9 \
    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
; M( j% ~2 T' l; L6 w
% B  |9 D1 F' O0 r- i7 T- Y2 o    …
5 m$ T" D( ?9 _* N" a" U+ m
) H2 }" h2 c! Z   

. N/ q' Z* j; Y2 g    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
% u+ g3 N  b$ |. {  Y5 z
    …

, U5 Y! H2 H/ D/ m- ?8 {   

    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。
1 @  F( f8 M' \, m# S
4 s. H: L" @( l  C0 d   
4 k9 f# g" r( F% t4 ?" |, H, b
    3．4 编写TestBench

   
! k0 A9 U( j% c6 M, r- K5 V: E
    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。

   
/ K- ?+ _1 @- y
    以下是TestBeneh的核心代码：
6 V& R: @( ]8 Y" f! ^
+ J. z7 K! Q4 h5 _0 B( J    testprocess：process
' v+ `7 y* f( n9 g9 B! q
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
' D6 v/ @% s! w" {8 r% W; F1 C
    inp”：一指定测试激励文件

    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
7 W* {% w3 J  r/ g
5 Z- ?* x$ |, b7 i: S' E; b: U    一指定仿真结果输出文件

- ]$ ]3 [" r1 c$ n    variable invecs，outvecs：line；

4 _0 p% V7 k% E* p( g7 [: p5 e5 ^, z    variable good：boolean；
7 V+ R6 m. g/ x$ B/ V
    variable eh：eharacter；

    ……

7 b4 ^" x+ e5 }" c0 g   
3 o. e4 {9 r: @7 b; F6 o+ O
    while not endfile(veetor_file)loop

$ a2 v6 Z/ ^# e$ r3 N0 a: f* z    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励

, o+ {6 ]* }* F) s# R    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

1 J  h% X+ D% s9 \3 F1 G2 m    read(invees，ch)； 一一读取空格

' `2 v( Z1 f5 P7 V$ ?    ……
; [- C9 w# a# D  [: w. X( @6 Z
   
4 X# h- Z! B" }7 Q
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

9 ]/ z7 ]4 e- _8 g    read(invecs，ch)； 一读取空格
$ P" E  a8 a* h% v. y, c
    ……
8 W, g. ^. S! e7 T4 A
   

; y* f! z6 M. F& o0 ^# v6 [    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
7 }1 [+ B7 e: |/ u1 _, c. u
) [2 C3 x. A  L5 j    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
5 i% ]3 I5 P$ K* f
* s$ [' c2 V. q( X( M7 F4 X* Z    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy

    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
, B2 `. E# K  x( S( E2 i
7 V! r; b& E( Y7 H) ]    ……
2 o; c. I0 {. t2 o4 J6 y
   

( k7 {, h4 G: p" u* D3 [    caseiis
5 w# y, P. Y& J8 q
5 s, d0 i& Y9 ?8 N2 \    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
/ o3 k9 F0 _) N
3 d6 }9 M8 w+ ?2 ~8 U, M) v    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
( T3 L: t5 n0 _/ _6 [. q2 K
    when other8=>null；

1 @% I! }$ ^  n. k/ f8 [    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；

    ……

   

    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果
1 x" `$ z4 \" b% G9 r# Q
   
* |4 ~  u# g+ ?) G& E# m" _& U! e2 z
& ?: T: _% V1 x# G    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。

   

   

/ o7 @$ b0 d: X3 |# }   
( M" q& y) u8 m* i5 `
$ `- X$ P0 p2 y& ]+ G9 K' ]   

; ?" ^% p8 n  v. `    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。
/ y. a9 s( D+ ~