matlab

YShangJ

1 引言
( R0 d% ]# V' H7 L5 N2 w% f8 ^
+ B3 }9 V& g, D. }0 i6 O% H   

" t- ~5 B* k4 q) {7 S    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。

   
1 ]/ V* J+ M' m; \
- v+ H, a: {( z' M. f( E) L    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。

% r, u7 `% |6 T( C1 O! p8 D4 i   
8 e- C4 D0 C% e6 p
* b* [( `+ M7 `/ ?    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
6 w+ y7 x, i1 V" n6 S/ f+ M
/ f# H1 g  U. z# [% R   

! u( X$ A4 [3 i/ ^    2．1 TEXTIO的功能
7 y) Y  q" a* O& l/ @) }
9 i2 t1 Q* [! F   
! g2 e0 B& Y2 V; w0 @4 t
    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)。

2 b3 p8 K* h0 U) z7 s) C  o   
- @* v! v" c6 J- D& ]5 K; Y3 c
    TEXTIO提供的基本过程有：
/ ~, K. h# w! E" o+ g9 @9 B
5 {& H3 P# x- ~+ O. ~  y& ?   

    (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)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；
$ B' K3 S1 I8 B) }
+ O& c  n$ _  `9 b8 G0 i9 n    (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；
$ F& G/ O) K* @: ^% Y
    (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。

   

    2．2 仿真测试方案
0 F/ @* ^/ L; W( [( b; Q9 n
   

    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。
  V. i5 @/ Q4 X' B) k) o
4 r4 d8 }$ u' V4 ~   
3 J' V" {; g9 b
! g1 m0 f# y8 P  {; P% R6 O   

   

2 n2 i  X( T' r3 C2 K2 O    2．3 仿真测试步骤
5 ]0 s- P) u) j. e$ ]
0 ^* V4 j) Q$ p9 J  k3 S   

  |2 P- z4 G6 J7 P0 z    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
4 U- B0 \& n, ?% v8 |! [
7 N8 |5 C+ |: ]4 C   
- I1 U8 m" F/ l* n
    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。
" B; ?% K& J* W! }! H) h
   

% ]; a: q. ]  t* [( B6 D* l6 V! W    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。

- X8 O$ {, e$ ~. _8 u$ U* ^! R   

    2．3．2 编写TestBench

   
+ H$ b3 d3 [/ f% C1 w
    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。
4 `3 H8 B- V( s% S8 {
   
/ G+ L' F  t. d2 u( q
; j/ q4 t. E  J* b2 U( d2 s    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

: i& V- T2 S3 N   
! S6 A3 U; H3 D# ?
1 z/ M5 w; m2 S    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。

( X+ V; t# F! o0 ?   

    2．3．4 结果分析

   
( L4 x9 \! Y& F1 `
    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。
; {' x: m# {7 q$ \3 B, ^
   

    3 仿真测试实例
8 O- D! L; o2 J7 W$ [
: W0 y$ s+ v5 B0 k$ n   
( U8 h* M% L& Z1 |
2 U/ ~) g  F" c3 h7 ]' U8 v* K    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
, ]6 b) r1 Q# H5 ^
   

3 y: _- J& p5 h* e" G1 m    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 j' Y) J. s$ V. r- m. u# W) M    3．2 需要产生的测试信号及波形

- F; D& t7 j- J% W   
0 d9 K) o8 l+ S8 B1 s
    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。
1 y- p4 z- P% o" w. M" L
   

: F5 \$ W: Q* ^& w" W  i   

    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。

! s0 ?5 W9 R! G, t  Z" @( m* A   

9 U7 q* c$ e2 K    3．3 测试信号的产生
, v8 E6 [! ~( 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：

    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件
5 a& W! f( Y' P! ^; `$ e+ J% _
    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
7 F8 F5 H/ P  q8 z
7 o) n0 A8 L( W7 d# A2 \    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
0 A8 F% I) {7 M! ^! F* f) g
+ ]' V, S4 r- i' K& v4 v    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
: ?& _2 ?" P/ R0 ?$ J
7 K8 [/ i' I; }    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

" y) U: W1 Q2 L% u; u    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

    HORTIME=64；％行正逆程总时间
6 m: e% R* C& L
    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
: V6 G2 \- O8 g$ R
    荡器频率，图像X方向分辨率

& _* \) z* E5 I  G    ……
* V6 N- ?3 E# h- l, |
   

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

( U0 N3 C& I. b0 R6 M4 b. p. X    for j=1：1：YN；

! [: v6 ~  _" k0 o    yy_j；xx=0；

* ^; Z" i) B* O5 }1 h" i" s) B# d& Y    for i=l：1：HORTIME*FZ；
* [5 j' H/ \+ ~3 t! s. _
5 E& E# s1 _" Y    ％产生行同步激励
% q7 Q/ N: l" Z6 j9 H+ [0 `! D
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
& u. T6 q6 a& {+ C. p
    hsy=l；
1 ^& g: M( E7 x
    else
$ l9 E7 J/ B. E- X
    hsy=0；

    end；
: u" {2 Z' ]5 t6 E; f
9 A/ t' Y% d( V  V* ^; b7 ^    ％产生像素时钟激励
* B9 S; p/ B; n& V
    if clk==1

    clk=0；

    else

    clk=l；
* T% l& r  |1 H
& f3 b7 K5 k+ X% b    end；
% p+ Q' o7 g) l& L' G
    ％产生CCD激励
( [8 c: R1 H8 C6 q# ~% B
9 b& M# M8 ~. a$ a5 U8 K& s" }    if i>NEGTIME*FZ

, ^& q% u- \1 ?6 `& }: n; R    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
, G2 E  G# h# F8 d: s, b5 }8 l
# V  h( T6 R- e6 R    ccd=round(image(yy，xx))；
& x, C! u; `0 ]0 {  g- }# T
4 k1 t1 K4 h; p3 |    else
# a1 L4 X. K) r
    ccd=0；

    end；
7 V$ F9 y" B, A4 f- t" R7 k" q
# g0 {. J2 r( n" Q    ％将激励写入测试激励文件

: N2 X" P1 }! ?0 E* H    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
& y5 b+ \9 _1 C4 I5 d
+ g2 U2 N& `% g. w/ I$ A2 X    end；

    end；
+ D8 C3 C) b1 _9 E
2 O4 y5 `, W* Q) X    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
. U3 _6 _' O. a4 x% j/ \
& j: |' B0 K: X" _& l, ^    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …

; f: O/ Z/ w0 A8 s( m0 \1 Q: J   
6 A% j' ]( F1 j. i! Z2 N- C
2 E# B" Y! P6 a- f. q# B7 x% s    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
1 i' j, x- O6 U& _  \# \* f
    …

+ }7 @9 u. A8 _/ O; h   

    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。

3 S( n* e5 m# \* b6 |4 T   

, u  d- [3 u7 s2 Q+ {2 h    3．4 编写TestBench
, f* Z5 v) b9 R4 T" A5 f
   
  {# f0 W  O, \
0 [5 @! {+ M; W, G    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。

   

# h# M! M* A; X3 K    以下是TestBeneh的核心代码：

    testprocess：process
; [5 }1 j, `0 c& t  D' I6 r
0 x/ b+ A' b9 }9 c3 n    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

    inp”：一指定测试激励文件

    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
8 a' k: T, q8 X. ]
! a" X# Y, |$ P' p" u8 N    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；
  N, [5 f) y  h- p% S4 v
    variable good：boolean；

) A! r# I. L" C# A3 q5 s    variable eh：eharacter；
. u. _8 I0 r' }: `: f4 F1 {$ K9 |
; w0 E1 Y! T; ]8 G. T) L    ……
* ~. `( G4 V/ A4 [
   
5 x& }" d, ?  t+ F/ x
. ]* Q2 r: u" N( {: V    while not endfile(veetor_file)loop
* E  G7 `. G/ t2 b' A
    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
  l$ ]6 F$ j8 U, m/ d" R" N, c
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

    read(invees，ch)； 一一读取空格

8 y- d  K. z* j, v3 E    ……
8 F7 @  B4 x9 n$ e
/ f& y8 i4 p2 l; M' ]' V' B, a   
' o! @1 `' t; M1 `9 p- L8 l0 J
' \/ f% u8 V/ v9 ~( V5 O/ h    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……
) Z2 g/ i# Q5 A. x! u
   
+ Q0 }/ p. p4 J  S
1 X4 l' H9 U: M9 [/ c; s    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

% |( y1 A$ l# }( p6 L" V( ^1 i2 J2 e    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
& q: O" I: e% A
    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
: |4 G: O5 n7 g+ i6 f& h- w1 x% m
    ……
6 Y4 D9 c8 p6 s$ Y) \
   
; W7 Y! A# @. u9 }- W" l
# n, t& c2 }+ W6 W    caseiis
2 C* w% d- l2 b" H2 ~) r4 c! O9 M$ E
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

* {% N, N; @' r# L- n    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
2 E/ ]# f6 v7 e  v9 P
    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
- M4 G* [% ^; R* O9 m: N3 y
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
* k* y. x& O. e- x
, X$ M. c1 A( G$ ]5 _& o    when other8=>null；

4 O# g! G) z( z$ C! l. ]    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；
1 I8 [- e* z6 c0 V4 e& V, B
    ……

9 e7 [7 f  z: j" u: q2 I  ^; J   
, U' p+ U! w$ r; e" k, V# Y
    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

- h3 F7 e7 Z' F" {& \' D   

2 B) N' e$ L5 g9 f* K    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。
4 @6 j) ^: e8 O0 H/ H& x# e+ D/ b' z
' Y+ I' \  `  ?' O   

   
; F" l  U4 p$ Y0 Y' d
6 T, F9 T8 V: {: d6 a   
; X4 c: K3 B& E5 G. s  {! Y, ~
9 Y) \+ s2 \/ d# w9 [& s$ c   
" V  p" q1 Z# w' s
) N1 a6 e3 c; W/ `8 {    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。
# N6 G6 H& S, M! ^
   
# i% f' }; U1 q3 u* L% N  P8 w