matlab

YShangJ

1 引言
; w0 S& H  ?; A7 b. P/ n
7 \$ x8 O. J" S+ q/ a   

4 o8 |% b6 v6 J1 d; G* `    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。
4 J/ E  p7 \: H: X
   

9 R3 f. T. P: G    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。
  X4 i1 Y0 C& j0 r: z+ h; C
% k" \$ v. q9 ^% {# ?   
' S+ a  v* F! Y* k1 ?1 D7 `
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

   
* u& X/ Q' C) O5 t" L/ {8 z
    2．1 TEXTIO的功能

   

    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)。
, E& x3 U3 L3 j- k' J9 F( C7 i( P# N
   
( G; w* X) k* o+ n0 ~( T2 H
    TEXTIO提供的基本过程有：
6 R+ v/ H3 p" ^: L. ~
   
# l+ [5 `6 y* S+ X
! U( F" s2 u/ O" 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；
( E1 m( L2 ?' M
, i5 c' w$ [* d. a0 \2 j    (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；

* O" V2 E2 P  B7 Z- A    (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。
& a& A! i  {3 A! G
6 R4 B. [9 `9 i, K) A   
+ N5 a  ?" |0 Q; z# S3 r! ~
  m; h: |0 f1 w0 w1 c9 Z( z    2．2 仿真测试方案
% Y4 Z* b# M- q+ x  ?; ^
   
, P+ f+ p4 ]$ G* v8 d' k
7 a9 T: |4 w$ f1 Q- h! ]# L    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。

   
9 C! y/ ~0 |, Z4 C/ \1 m
3 a$ w; ?. ~* o# `8 p   

: n) I1 T$ f+ m( B  Q   

0 Z9 z( B; r+ Q: h' f    2．3 仿真测试步骤

' C& u; u( V  i& Z: a; d. o/ H   
# g9 w: Y  Q& N
6 j0 A0 B7 @% R8 K- V    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

   
- ~1 w* C* C  i/ n* ^& j
    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。

" u7 T9 L% W( R   

6 k% P7 i" @/ \% a- K9 Y8 b5 v8 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。
6 \' M0 P8 a& P
  \, ^! w" P4 C; g/ |0 l! S/ e# b   

" E+ v- A/ |2 N; A, R- s6 B    2．3．2 编写TestBench
% }2 M) B" O4 T' e2 p
   
0 X' r$ `1 `4 N. ^: s+ z) y+ `2 ]$ |
    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。
& q; K6 T% _- L( m7 @
   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

/ C6 v' U3 f' E- u! G0 K   
: M9 T, O5 ^0 O3 H2 [: T( C- n
    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。
# ~2 U) z0 g  x% ~  ?
   
+ v0 R6 R" [2 A+ {5 j
    2．3．4 结果分析

; K" C4 `+ ^. {/ [) K   
2 C1 v6 ?6 P: g% {7 D# N+ m' 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。

   

    3 仿真测试实例
- X9 O9 c9 N( S! J3 {# Y
' z* s# Y+ ^: h   

& h. \( y5 ?" q3 g0 @    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

8 O7 K2 r* t7 v* c/ Q3 ~5 s+ g   

3 o; [( h2 t6 H" w    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。
3 @( V0 l. b9 ?
   

- x. m( b8 }: P2 j8 a" g    3．2 需要产生的测试信号及波形
# X8 s7 o0 }* w) C, c% K/ z
   

    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。
5 h% ]' L$ Y' V: t6 N# L
   

" ], a. |, T! e) }( n   
) E9 T  A8 R" w
( Y9 O2 Q' m, I( ~9 r# t    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。

   

! W% J+ ]/ ?8 G1 L# V* w* g( t% `    3．3 测试信号的产生

% R# M4 {  d! q, a   

    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   
% _8 u- H! R  ]! K% h
  K% f9 T, E9 K% G8 c7 a6 G3 i    以下是生成测试激励程序的核心代码：

8 M0 Q1 d& Q) k  z3 o+ E    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

7 M) J( }: U1 a    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
- k& R. U6 i/ v* H8 P
  R; J3 O: p5 Y% _4 @* g    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

- n$ K5 @) v& i6 h% Z) H& E' H5 c' j    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
- J5 z$ d3 X6 k9 F9 V4 ?1 B
" O! }6 a! ~8 o& j  Y( c# n; D% x    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
, }! q) f! w% Y! W5 m. W4 z: b& H
    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
( ~0 D" [$ ]- J9 s( W
" `7 t- }$ t5 R6 L, X; ^6 f/ y    HORTIME=64；％行正逆程总时间
7 X7 x! F7 w* L# B, ~
- d8 `' H# H1 D    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
7 m# I8 [7 N: H3 w
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
  z4 ^% B( {$ z( p& V: j" S7 J
    荡器频率，图像X方向分辨率
, a# Q5 e' p) f; T) D1 B
    ……
9 C) f. t2 n; K: V: u1 q
   

& }9 Y& _+ h! V2 z7 }/ E    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

# e! O' o. a$ J( C# ^+ R0 A+ U    for j=1：1：YN；

+ C: y. E" q4 E  s' x# _    yy_j；xx=0；

- k  e1 ^" j1 s! @. i6 E0 {    for i=l：1：HORTIME*FZ；

( ]( [; I+ j0 @& {" d    ％产生行同步激励

    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

    hsy=l；
% @% ~* g5 C2 ?+ y* q. g
    else
6 d3 x* q5 A# m$ v0 h
3 k# Q" f1 R; O& l" S" L+ D    hsy=0；
$ k) M; o, j; A( I
    end；

    ％产生像素时钟激励

    if clk==1
/ o  W: Q, L) F, u. k) C; u
    clk=0；
0 c& l0 o# L( L$ B9 x: z, \
  d3 J+ H- |6 g. @. r9 s2 K    else

* Z5 h+ b6 j/ z7 |% `3 r  q/ [    clk=l；

    end；

    ％产生CCD激励

    if i>NEGTIME*FZ
+ W+ }% O8 Q1 A. B2 H2 ^6 H  S
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
2 h) F$ ?  o, V0 f9 C1 g8 v
    ccd=round(image(yy，xx))；

    else

: Y4 R2 E9 D3 B2 O' ?, ?    ccd=0；
8 o9 c$ V6 K4 H0 G7 ~0 l
2 H$ h2 r0 _0 {( ^    end；
; U! v; x8 B5 B$ {
    ％将激励写入测试激励文件

  ?0 E* `! h# n3 X4 n    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

  ?1 I1 a! q9 o! n+ H8 k/ n    end；
" ]% r- k% j: L
    end；
1 C8 ~) g/ q( J9 k
    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：

1 _; }5 r1 r1 ]$ J! r$ m    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
. T% n: W" I- J! G
; R* u, @! y2 y# q/ A0 M- E    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …

; n1 H# u1 v  a- o! ?   

8 c, Y" t) h& |) J3 m  W    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
, A' A; B; B% {0 U+ r  M
    …
* ?  D6 L, C( b0 D8 _/ J1 x) w
   
' g2 a  o4 C3 s% x! X; k% B5 [) [
' o5 p" d8 g5 Q# d  @4 a    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。

$ O0 |! f2 `% ]/ l) [   
6 h/ V9 m1 ?- U4 H6 N8 M7 {
    3．4 编写TestBench

   

    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。
' r! r& s/ A( g
7 H& s# h/ ]( X3 ?* q0 x# b   
: \* d- a+ N* `& D  {
& e+ G5 y) Y- w8 s7 _    以下是TestBeneh的核心代码：
/ c, z8 X& Q' a; h9 g9 Y6 h4 R* ]
    testprocess：process
6 R+ M& c, B) U0 @) h
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

! A7 {. t7 n& M# `6 Q2 R    inp”：一指定测试激励文件

    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

$ S! f9 x% r4 B, w, T) C    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；
5 w4 ?! h: j% h5 @+ n- x# g
    variable good：boolean；

0 m+ m9 n6 M* g& G* d/ H& |    variable eh：eharacter；
  Y! ]( S+ @! Q: p/ N2 S1 L; }% W. z
    ……

   

0 K. `! f. ^6 B1 ~+ e9 y+ j0 Z    while not endfile(veetor_file)loop
1 Q) X/ y' I( t( z' I
0 o1 p0 N  x9 W$ U    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
4 E4 ]/ @0 M+ I. H% G, ~) T; o) z" k
- X* c3 S) |2 X9 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 `5 e4 Z3 m  I6 l1 H4 ^    ……
. n4 `% o3 c4 t  n* `' u( t; y
/ U- _; ~4 r5 }* h: h0 [7 a   
( v' a9 ]4 }  w! m6 e" ^
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……
& N) ]3 r4 _6 c9 C9 q) Z
   
4 ?  E( v" W, L& Q
8 U% H9 U5 [. z) {: a; r4 z! x7 y    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

+ A4 ]: n' ~- J    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
; d% a* }9 P. [  Y% ]2 Q* x
- |) l* M7 Q3 F) n# x( ?0 A    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

    ……
2 _. o3 Y2 s2 v+ e' G
   
; c7 d* Q' l( `0 U' v5 A3 D
    caseiis
1 O+ D9 J1 u0 y8 `7 U$ r7 ]8 Z) m
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

1 [! P( p; q, N7 O1 t    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
) M8 _1 T: M  C6 A4 l
; ^  ~& y: I2 J) U* ]    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
. y6 L6 L4 {% I& u
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

% l9 X3 B8 y0 W/ `# g# y    when other8=>null；

5 T' D) `* w! Q    end case；
7 ?  B7 `: D  ]  R2 x
7 B2 H% C1 U1 I  l$ d6 z    write(outvees，string’(out_string))；

7 a( a$ y$ z9 H  w  z    ……
5 a4 p. c* A1 O. E4 M
6 z$ I9 a! Z6 H5 Q  @- [   

9 V( D1 F7 N+ q* B1 l+ @( x7 C' }    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

1 m! T5 b( ^7 I! `: z/ `   
; w& Q1 ^$ X$ l8 ?4 Z  u9 g; x
    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。
6 ]. I" W( k( [1 }+ n$ R
   

   
2 H9 A  V, h) h" j% O0 t1 N# _+ O9 H* d
   
; K; |$ d3 I0 U5 T: F; I1 v
   
/ ^# B9 Q. y! i' ~
9 Z  H- N$ E" d( v" t    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。
6 [6 V& w$ }( N* i
, k8 N7 P' _1 n: p7 }7 I