matlab

YShangJ

1 引言
. v: f! r. k9 j6 K
9 i& E1 N4 Y0 E3 |( a   

    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。

   
* o2 @" o% Z- X5 r: 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。

" J. Q+ s& C6 M' o+ H7 V   
2 l/ j0 N6 o6 b) `' X2 b+ R/ i7 z* i
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

( b  _7 @8 M6 x   
  A$ }' S) y( n/ `3 ~
    2．1 TEXTIO的功能

8 S. I+ U8 V1 s   

    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 R' X1 m' d* q3 H) ]8 o9 I
3 l6 `! W. c; Q. h# \. W   
/ O) j  f( ?! Y2 G6 O% c; M" N: u  Y* U+ `
6 G- A* d1 G7 R$ C8 |4 g& \8 r! V    TEXTIO提供的基本过程有：

   
6 z$ m/ a$ M% Y# \8 u. 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；

7 B) N0 j+ w; l6 g$ ]7 j: h    (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；
# d+ L2 ^0 m/ x: P: n. b$ j" k
    (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。

   

* Y( z+ ]9 O) v3 x) a8 w  O8 A. x    2．2 仿真测试方案
* ~% t/ j1 q% t# H) O+ M! O- z
   

    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。
# x/ \# {7 Z; |( L# N2 D
) J; _" N7 k" ?   
6 C; E* O; S9 G  u3 F$ H9 Q
$ A: G+ g1 J: X, D$ }- N   

   
& c& n6 l# K; d: c0 k4 g5 y' V& S1 f
' X1 j1 k/ l9 }# k$ e    2．3 仿真测试步骤
8 P. k/ L. F; w
   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

   
2 @; C; J# }  u
+ f0 Q% V7 W7 Q    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。

   
7 {( `9 y. x' H8 M$ Q* C
' M2 a4 h9 Q4 P( b4 a    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。
4 H3 B1 Z+ k1 A/ \
   

2 [, ~1 X4 P6 }: h) b) u    2．3．2 编写TestBench
4 z2 V3 m& J1 L- V* z
  n) d7 l- J, W5 B) }! H   
3 u: K8 D& Q: D+ ]* K6 \% O' M  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。

   

8 w- T0 b# B0 h6 Z4 n9 n0 P    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

   

    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。
, m2 e- k3 M3 }  }
4 C* R: l5 N) ?" T; o+ c   

    2．3．4 结果分析

   
* C, {/ [2 _& r8 {, L
; _+ c5 B3 \2 |+ a% G  G    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。

" T9 M! ~' X4 W5 {4 {   
" O0 w9 e4 _" ~& Z
5 \" O$ p4 Y& f1 K0 W7 t/ B    3 仿真测试实例

; O& B  p0 r' W   

5 x9 h/ a' q. l) x% O6 \5 U    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。

6 m1 U& r. z8 X  ?" q   

) p0 I; k& J' E" W3 o: Y: S    3．2 需要产生的测试信号及波形
' A$ g- s) K# d2 @$ x: B9 Z( e! b
   

    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。
+ F' X+ \5 n$ o
   
: v/ o! v$ B$ J0 O- z9 _4 Z
% c. W% `* M/ [6 }   

! e$ X4 B- u1 j3 n3 E    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。
+ V8 z$ F2 ]- S" g
; u7 P7 H' Z$ v8 S, u   
& e, Y2 t3 J. G
0 {+ O6 X; w9 R* J1 F2 |    3．3 测试信号的产生

" f  |% T! z% c( A6 \( {$ \   
0 J1 R* |# H: O! w( X2 ?2 U( L
& r% o2 H7 v/ m, l8 w" o    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   
, t$ U! |6 S) _, |' N
( R% v8 M, e0 [9 H% e! {! c    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

    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
% T) D" [+ L: Y; N
    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
  J. |- x' S+ W) O3 m1 _* y* {
& M& \# m, e& p4 Z# J& T    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

! a  Q4 a$ J9 n5 u    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
( Y1 r* ?4 _1 b) ^/ Y# Z
    HORTIME=64；％行正逆程总时间
, C- ~5 H1 X/ ^  r
$ c8 W/ s  K3 |6 E+ H3 D    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
! k0 k  d. w0 F# o
  P; _* A* d4 j- ^; @' a. D    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

    荡器频率，图像X方向分辨率
9 x( }4 k0 m3 ^! i4 @) H0 N
8 a  F1 N1 }# d1 s    ……
" y" ~: f. R3 q- D) f) T
( k7 m9 V; l6 @, Z: z   

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

# r3 K# X0 g  u$ `0 \- Z    for j=1：1：YN；
1 }2 p' C; W/ [* M: Z" ?4 P" ?
0 _2 k% y% a$ _% B8 r    yy_j；xx=0；
! H4 y, t7 g- {2 C# I6 E; {4 M
    for i=l：1：HORTIME*FZ；
! z# I, {, i& I# M# j" n6 x3 j# o8 ~' @
/ W7 T/ u7 l( R5 c    ％产生行同步激励
- O! ?% U5 ~0 p  C4 K4 k
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

    hsy=l；
) ^& {- w/ e+ G* c7 `& H6 y4 _: O
  Q, E% G! t# P( H+ O$ h9 o6 g  g3 T. e; X    else
; w% d( a- N$ R
    hsy=0；

% ]# F5 X* L# h, t* Q8 h    end；

! a. b9 t& o! c    ％产生像素时钟激励
& c7 w! a& N" r+ o; ]
& X! A7 |" C  X' @; e4 r% f    if clk==1
. m+ d  p( A" g! H/ D8 t; ?
2 m# G) }- W* v, `6 B# l, g; \, S    clk=0；

+ [3 M  S5 [4 g4 X    else

    clk=l；

6 C( ^& l+ o4 o, K7 k- W- {, s    end；
+ c+ S! E) k/ X9 h1 w
* j! D3 x, v6 U0 T) u    ％产生CCD激励
+ h% F* D3 x+ n4 g' Y
    if i>NEGTIME*FZ
" \1 G) `9 b7 f: Z6 j/ n
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

9 t: r: v( t) V6 S    ccd=round(image(yy，xx))；
! E/ l- B/ L5 {6 S# [3 B6 H& V0 `
2 q) _5 T$ V# V) L9 Y    else
1 P9 P) f( t/ r8 t1 K& ^8 L/ P2 C
    ccd=0；

    end；
' y* x# c( d- h; y
6 b7 t! c$ q* t8 u4 |    ％将激励写入测试激励文件

, L  \" D' @! }  s, F) q6 a    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
. v+ z% G% R5 }5 X6 L
1 q' W& ^5 L9 d& Z8 [5 l    end；

0 |  S! A0 @0 J7 A' c6 ^3 Y: \% N; j    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：

, T* _: S+ Z# h. K8 |% u    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …
2 {* o+ I' r( l& \$ ~3 F: B' f, _6 Q
   

( H! ^5 H# i' g: r    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
0 \" S+ v% S; j5 C  U) t' W" Q
    …

   
  |. H" C! Y+ q' }1 @9 q# f  k
$ F7 q) m+ T' `5 b: d    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。
& L' J  q2 D) C& Y
" j# _+ \1 h, c1 J# Y$ S   
1 S+ m! \8 O, E7 Q5 Y3 s4 j
    3．4 编写TestBench
) i3 f) t8 z2 D2 u" r2 y) k/ p
) E+ f' @4 `) p7 B8 ?! o/ K   
. }, H  C0 [( p: ^- ]9 [1 I/ @8 F- I: t& b
# k: k/ R  P2 X# W+ B* P    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。
7 r( B1 y, P8 Q& A' d
0 ^* Z. U3 ^+ Q+ f   

4 k" e0 Q7 H; W) k6 s% @* D( d4 F# K    以下是TestBeneh的核心代码：

    testprocess：process
& y1 v8 c$ v, q& R3 M+ T" X, P
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
% t  P- I- j( v4 F- Q9 x6 b+ P
    inp”：一指定测试激励文件
" s$ R  x6 `- h$ D  Z* _
    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

8 I1 t5 v/ x& W  d+ c    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；

5 ~& ?0 E" E+ d! U    variable good：boolean；

4 U! u) l' I: u, u' z# R- |    variable eh：eharacter；

    ……
# b4 A5 p( y  x+ W
   

0 E8 Z& I& `/ v& u/ E& @" S9 Y    while not endfile(veetor_file)loop

; G% J, s1 a* ]$ g    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
- ?5 ~- T* E8 [  G& l/ n& j
    read(invees，ch)； 一一读取空格

    ……
7 Z- Q: b4 S2 q9 B- ]- C- E! P& H
: x1 T5 n) O$ i8 U   

( ~( R' t  e) q: y  l; b8 o2 [; z    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
3 K( p; E; H  ^0 J6 p/ H
. B9 \6 ?, u2 [* z0 q9 s! f    read(invecs，ch)； 一读取空格
$ }' o8 x  _+ x7 H8 y2 t
    ……

   
: C  r1 O2 {  E: x
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

( x7 g4 v9 `0 j- V8 M: `    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
, ]5 W4 G8 y. @! t" f
    ……
% W& k4 p' b6 o6 A
   

- p# Y+ |/ `+ O# q    caseiis

    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
$ ?4 A) P& W8 K. a; L
    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

0 _) f' l- D) e# ^  l9 d* W" a    when other8=>null；

7 H+ d6 s( H$ E# q4 i    end case；

" }& I# c  @2 q! q3 u& I    write(outvees，string’(out_string))；
+ j3 E- u' H1 M+ G
2 @+ A# N3 E* g3 u1 Z    ……

6 }5 Q" [1 x5 b. ~   
- V. U5 i0 ~& }* S& S4 v# a5 V
' [( z% s- g, D7 e; M9 I9 r) v9 E    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

. o2 A: P" x" l3 F* E* i& v& d- K   
+ Q1 Q/ d8 m3 [; ^6 E/ S
# Y0 t5 |  R5 k. g+ y( G; 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。

, l1 m! [3 e4 z; x0 r& k   
' [, _( N! g2 F4 u: \. p
   
9 H% J, U0 @* m6 W& g
   
/ o/ o1 O& U& t' _0 A  Z
   

    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。