matlab

YShangJ

1 引言

   
/ f( u% i6 Y9 k4 L, Z1 T$ J
. c: m1 l4 Y& D, k6 k. E    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。
; L* ^1 k; {7 X0 M
6 z9 U" z0 `; d+ c0 Y   
4 O( k: h+ j2 i4 I3 I  ~+ 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 \  H/ I$ |7 U- h2 X! E, b
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

   
' `' N# q7 k0 {- W! U' _
/ ~& R2 J5 f# `0 H( g* I: ~    2．1 TEXTIO的功能

7 t' X: M# g3 g3 z2 e% w; E   
8 W( h  v' A4 Z
    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)。

) l% P: t  X" |4 k6 O   

    TEXTIO提供的基本过程有：
0 r3 b; p+ Q7 K- y2 l+ O2 T, H) \. i
   
. _! F. \3 i+ D" R6 z7 D: V
$ ~) M/ X8 z( o/ m) g, X5 v# c5 |    (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 Q- m4 M3 F- Q
    (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；
6 s6 x3 o( Z3 M
2 Q$ j* ^* U1 g. R    (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；
# m! D3 q$ |4 z3 ?
    (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。

& o; m) p7 z0 A* W9 v+ S( l   
, w. o# [0 k6 U! e  z
    2．2 仿真测试方案

# Z$ K( \% S  r: h7 X6 d   

* Y9 [7 Y) G5 o7 a' {. ?    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。
2 F! o4 E8 q& p3 N( }; ^8 Q
5 I# g+ M( j+ b- I# k( n   

+ j  @5 N- v. e; W" A$ T   
3 w8 ?% O( i7 }
' S$ o9 E5 N1 m+ j4 ]9 V   

    2．3 仿真测试步骤

   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

- i2 R" E  M$ m& A. C2 t   
! N0 a  m" j4 g- {/ w# n
0 F: Q: W; A9 k    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。
# N  W0 I' C6 `
   

! J# d% {- u7 h0 X' S8 ]0 _    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。

; B% L/ @! }1 a; a7 |   

5 D# o7 _, E# x3 i+ H7 z  r    2．3．2 编写TestBench

   
, X  j" m! V0 s1 h6 Q* @
4 X2 W+ _$ W% y7 ^    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。

   
$ V0 ~# r- Z' _; K, A
" k) B3 q" A7 {! f: S; [! T    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
# \$ W9 X4 C: a! f7 o0 {! [) \
   

    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。

   

  w# |! w1 s3 n3 p    2．3．4 结果分析

% v' ?# m3 q( Q! G   
1 u! p6 Q; C2 s$ U
& ^( j4 E: x1 b6 w+ ]4 `$ x, P3 W    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。
3 s  i1 n1 ?" [( Y
  l( f7 w& s: A5 u9 l+ M! q7 w) S   
! g  `& Y* z8 B
4 p+ N+ a  I8 q% l0 a/ N    3 仿真测试实例
2 t, B/ p2 Z7 ]/ X  p
   
4 g' d! @) [0 ^4 b
' a: H% X3 X5 q. O- F% K3 p3 V    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
9 S, J+ u! R7 G2 @& L+ P6 T
; z; L1 O5 @* s& ^   
: g* M' d7 z- F/ E
    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。
; z, G/ v5 V& v, G' B$ p% L
6 ], N3 f* e# H+ v. o0 |1 s% R: I, c   
4 U8 c- t. e+ `; c4 F+ `
    3．2 需要产生的测试信号及波形

   
4 h8 d$ G( k0 n2 {5 B
0 |2 f/ o' D) Y, U( P0 Q/ y: F$ i    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。

  B  c7 y" h7 ?: e, t* V7 j   
6 }6 O- X, K3 D* o) v7 m8 k
   

5 R9 d7 U1 {- z+ R% t5 z    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. u, v" x0 d2 _   
6 t+ n! N3 _7 ^, u2 `
. B( t8 T2 x6 {/ z7 t* g- ~  c    3．3 测试信号的产生
0 Y* m, f- S: E; S6 t5 Q: ]
   
( b4 `7 w4 Y" e7 y
    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
! a6 ]* o  u" B$ _) P* {
2 u( w! ^9 s) W6 r# l  }4 a% a   

2 n) E" |  ^7 Z/ f+ R0 o9 P9 f    以下是生成测试激励程序的核心代码：
5 H: _. K( T& ?  \7 q5 u
    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件
0 O4 L' a  s- R9 ~8 y
+ R# n0 Q* w9 @$ B& C( N8 P- D    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

1 c4 U+ N$ D# j/ Y  \    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
; R/ d, _" i% o4 e7 x+ }
    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
* r$ I! G( h4 p/ N3 O6 J# t
    HORTIME=64；％行正逆程总时间
" `8 O8 i) ^  `3 ^
    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
7 \; S, U8 t6 D+ G
) i; ]. {2 t* _$ |2 w. X4 G7 c5 c    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

  v% }* [8 V- k1 l    荡器频率，图像X方向分辨率
- g9 y' t0 W8 n" [/ L0 J, r% _* D
* R$ C2 ?8 w4 O9 u2 ^    ……

   
5 H' x& H" S" e/ O8 A& J3 w
$ K& y: }9 e" B: {0 f0 n    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称
3 Z7 z  i- T$ [8 `6 S7 w
    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；

    for i=l：1：HORTIME*FZ；
# V! t) j, C7 t: J# [8 k5 F0 ^& [
. H/ K' y# h( d) {  M    ％产生行同步激励

/ T6 C6 L9 L& u    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

    hsy=l；

1 u, ~7 j( u9 Y    else

    hsy=0；

    end；

    ％产生像素时钟激励

' ~) ?+ `  A; x) k$ T8 N; G    if clk==1
4 ?5 P9 J# {" D4 [5 m, a; @
& f2 S* j% r! O$ K. U# \2 F/ r4 [    clk=0；

& R/ ?6 w2 M! z/ v: {    else

    clk=l；

    end；

! }* Z  S& S) o* m- E* {  _; k    ％产生CCD激励

# ?& w! D" Z) h! }# ^    if i>NEGTIME*FZ

    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

, Q- w$ D+ `% p7 r    ccd=round(image(yy，xx))；
8 h% Y3 M7 q2 F
    else

- w4 o; g' X6 B9 k8 H    ccd=0；
5 e' o; q$ H: i( d5 m4 `1 P4 a7 o
# W' z' s. j" U4 p    end；
, i) w7 y* x4 _% y
    ％将激励写入测试激励文件
6 w( S9 t" B' a4 M7 {
& s& l7 P+ I) _' b    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
- s3 k+ S+ {( M: L- ?8 G; F
0 V7 h/ l5 V' g& D  ~  _" Q    end；

. L9 c' C7 i0 n/ H( s0 B) `    end；

) c9 @5 k# w* J4 `7 @% H    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：

4 q9 l% `: }) x, z    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

" n6 [. o- p0 v% Y6 p: r* p( `' d    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …

   
, A: P5 k( P2 U7 A# j7 p: @% X3 x9 P
( W' F0 |. w& v9 Y) ?    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
) I1 \8 j& ^1 I8 Z
/ X' c) L6 ^, X. o    …

   
/ y/ }" O; `' a1 `& a5 E7 W( c
6 `* U1 N) X6 N, K, w3 R    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。
# I; G: [$ F( g' W2 I
4 Z* c7 Y5 [- t+ z   

    3．4 编写TestBench

   

4 V; }0 r6 M( W" u7 O: B7 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。

8 o8 M; T8 i8 q/ A, b7 I/ J# ?' U. G+ W   
/ J3 u& e% q* T: m* C: l0 {
    以下是TestBeneh的核心代码：

+ M7 \# U6 v* A" T2 D7 a( [6 n    testprocess：process
) T: i) I3 W+ S9 {2 M( t5 K, n
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

    inp”：一指定测试激励文件
9 Y6 T2 w1 s# D( P/ g% _
    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

* s( P; d+ C* M" x5 _% q$ C    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；

    variable good：boolean；

8 J# H" }) h, _" E    variable eh：eharacter；

    ……

) V2 S7 U0 }! i0 ]- D   

    while not endfile(veetor_file)loop
; f* A) Y0 o- W1 f6 Z; t/ a" r
    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励

9 u7 {% P/ X# k5 W8 w    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

    read(invees，ch)； 一一读取空格
" p! G1 ], @$ V' H5 j9 A
7 Q9 j; K2 b7 C6 W5 ~    ……
; g) T+ X1 [1 h
   

, x% M! p) T) |+ E* }    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
" E2 G  _; ?: Q. b
0 t8 p+ L8 d0 Z    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……
1 w, u2 t. \3 w" m: j! @/ g7 }
   
) q; P/ G" f( C2 @+ M
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
. X; S) U4 w9 \, u8 k" `; ~9 r4 Z
    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

( c# r0 n" w9 w) [/ A) [    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
! v6 b; ]4 S% w- x% Z: }6 i
3 Z* F, p$ ]% K' a+ j; o& U    ……
" O- \# w5 x- \" o! h
   
$ l! A% T5 k% E
( @; r8 D, K/ ^; M; U% A    caseiis
) C. b3 k' h# {6 w; Z5 {1 M
1 |/ K( s& c+ @0 k7 ?    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
7 M! q4 J2 g2 A1 S! S+ M. y! A
    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

- k. u! Z' q3 A! C# M8 m/ A4 w( D    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

5 u( S# @) ]& H2 r  F    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
5 U  t; |0 I. B: W8 i
    when other8=>null；
- {9 d. S6 O6 X# i9 D
' s# {* ~5 l0 S9 u1 K# n: J    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；

2 ?/ M/ w. X4 @4 Y$ P* n    ……
6 s2 n. @; g' b  y
   
6 O2 L8 b5 T0 W! D) t5 c8 s
3 D/ B) d9 X# L) q) e! Q    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   
% W% b; G" [, M) z
    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。
& ^5 Y) ?' a5 Y
7 f# @6 H5 {5 i# {   
0 Y9 M8 s7 a) F/ q3 }- W9 \
6 e* ]  V% o  i6 V  f$ {   

   
  V2 Q7 T# {* [2 D( E
   

    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。
! e2 r* m+ j8 u" Q+ \" b# Q
! Y+ o; Z9 d+ w1 G7 m