matlab

YShangJ

1 引言
+ r1 Q' k) U: c
  ]- J( y/ R4 k1 l3 D   
7 |) T% `# u9 T4 q% c. 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。

   
/ }( U$ _7 H2 |' d4 U: M1 ?/ p3 e
( H$ _) V) p+ @/ s0 w    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。
* q1 g0 d3 c2 X! h" Q+ T/ ^
( R" j5 G! P" B   
/ d' B) S! o4 @% e# t- F- i; ~
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
$ `# |; U4 v! ?) H+ @" e: ]
   
) `) z5 {) v% R  B( B/ I
; @- `( {  |: O3 u    2．1 TEXTIO的功能
" K- U* k" p  p
   
4 U' U3 H4 t) Z/ |* l
    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)。
) n4 b6 X; U# h: o
   
7 t0 A4 M; p9 x5 A& L1 _$ N0 Z* O) H
    TEXTIO提供的基本过程有：

   

    (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；
* e" T, l2 a- F5 E0 V: B
    (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；
  z; Y; [/ j: f; H( d9 T$ K- \
    (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 H/ N% x! U3 I9 U* o
    (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。

# t( u% D/ l" u3 A; b5 _6 w   
, \- N' |$ ]8 c3 c1 A9 S3 C4 A
2 ~7 Y7 y9 O. g6 u( M, k, n' n    2．2 仿真测试方案
" ^' d2 G, s8 l1 v7 ]% e. t3 I
; e( Z& s( h# v0 k   
1 C6 p* |$ Q) H( `% n. q; r
    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。
# p$ U% n0 `3 a6 c2 p$ |
   

   

   
0 C% i: B' p: n
6 n9 ?8 [! B  [2 v9 _% U$ x    2．3 仿真测试步骤

   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

  R8 [# h9 C' l7 [   

    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。
! a, R7 l9 {  m$ Z/ i
   

    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。
- J% c9 D9 T6 w, S* b
   

    2．3．2 编写TestBench

   
" z+ S" w' h0 H* k: \+ _
3 U2 `+ H( w  L1 }    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 G9 M8 Z7 x2 Z' \& a   

, o7 H+ T# s3 z7 Z% ~4 v6 b    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
6 U- n3 I' x0 R2 ?0 Y
% _' g$ z: p) Q3 T1 t   
, l9 M$ A+ ?4 g! {! Y+ |
3 o% u- e' v* x& A3 C8 u    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。

   

    2．3．4 结果分析
# ^2 V2 f$ P* Z, T% n
3 C0 Y$ C& L+ \8 o1 M. [+ I& r   

+ B- v* S* g3 o' j0 `3 v) u; N0 t" R    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。

" r! X9 b' ?: z' J   

    3 仿真测试实例
3 P$ m2 ~. c3 f, }! a1 X& |
- G; F  z: |) `7 L" t   
! c! F" l" N% {
" _) o' C* V1 d: e+ Q1 ]* @    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
0 J* v0 N- u0 F, V4 {# M
   

1 ~; S6 o1 h4 Q  c( h3 u    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。

   
0 j5 L0 {& X. O& W# |0 o$ \2 ~2 y
$ ]1 H- h. H* k3 d7 E    3．2 需要产生的测试信号及波形

( \& `( n8 w& `+ H+ H* J1 p# K   
/ M/ M( \1 W  W
5 I# |" r) d; ~! P6 j; {    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。
  ]4 B5 [' T' {: n
   

  l) o* j3 w! G3 k6 ^1 {! @' A   
+ r6 @4 Q9 F" W9 }
6 h" y  d7 ^$ D0 D3 _/ M    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。

" C) H4 Q* ?' ?3 I) a   

    3．3 测试信号的产生
0 j* k: u! w( z- W" F. q
   

    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   
0 E, p5 E, O) z2 `/ n0 F" _
6 g7 S0 M2 h# h# b    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
# A& q5 p; ]- J# V% E
2 n# G  I" V! q! w+ H    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
9 c/ O: c8 z$ z8 }6 {* D  D
4 @' e3 M+ [6 B! S3 m$ \    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
+ E4 @  I$ M) H) u3 N
( X  d* x2 l, p2 o# f! I    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
, k" U. Y3 R5 t; y% i
/ I6 A6 u$ S* M; b, h5 ~" |    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
0 E- z7 @$ W: Z7 _; C
" R8 @4 j& E6 w. b    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

    HORTIME=64；％行正逆程总时间

    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

5 H4 W8 `5 x. G0 x0 I, @    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
4 ?6 C% @' @8 |% V# m/ |
* ]6 c7 \: W' ~* p8 |' H) V3 T    荡器频率，图像X方向分辨率
1 R6 L) k& ]9 F
    ……

   

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

    for j=1：1：YN；
8 ~$ v7 X2 [6 }  |& P6 y& O4 u
& A! c, |4 x9 x+ J( g. B: s    yy_j；xx=0；
' W9 r, B% e( s. G+ F2 Y% |
    for i=l：1：HORTIME*FZ；
  T) J, l& j7 |2 ^. z2 i  i3 l  U+ E* B
    ％产生行同步激励

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

3 Z7 r; g8 q8 I$ q    hsy=l；

    else
" ?, H3 D: ^2 H1 f. B" ~7 `; w+ n
    hsy=0；

    end；
# y& a6 M, N" R7 \2 |
    ％产生像素时钟激励

    if clk==1
$ v/ y$ q" D0 y9 O- x; f4 X
- q5 e$ @$ f9 a* e. l  O/ J    clk=0；

    else
, o! c. w$ Q2 z0 O0 r
* @* m: z" u; Z9 ]% N    clk=l；

    end；
/ m! J6 x& v5 c' p' b0 O
    ％产生CCD激励

    if i>NEGTIME*FZ

6 ]9 j5 A+ j) J4 ^$ o    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
! K7 U  B) i( B& u& h
0 F' m( a, k7 k) T    ccd=round(image(yy，xx))；

( ^. Y1 y( R( ~, A    else
% k8 [8 a; d/ J8 r$ y
% A* s* G2 G" S  a1 w( K    ccd=0；
$ k! {" S" l  c9 d  b0 ^- `) J9 Q
    end；
! s, V; w6 I0 q( S: T
    ％将激励写入测试激励文件

    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
7 d+ x' y- d) D8 `
/ V, p  H. K# i9 Y6 J% G    end；

    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：

    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

6 c, S; e2 \! Z" _% C    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

' Y- L0 o- g" ?9 L    …
1 C5 Z" G+ N+ Y" N4 b
; L- c3 E0 S  z' [  G% \   

    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
0 @+ ~  T, `" c& q+ M3 F& g
    …
! g+ Y! S2 K2 m7 c
# J5 G* }' ~2 M2 G6 ^   

, W9 q7 i2 p3 q* H7 b* n    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。

   

    3．4 编写TestBench

( P6 R9 p8 S& [, j9 M5 F   

( C' J& w, F1 P0 p, J0 p! h    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。

* @, s5 l3 {" b7 o# @   

    以下是TestBeneh的核心代码：

    testprocess：process
% [7 X5 o2 @+ y; |. v8 c2 ~
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
9 f* T8 s1 S+ Y+ w# ?
    inp”：一指定测试激励文件

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

0 h* p" K$ S- Q. o( @    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；
& S9 l- y& {% c, L/ }  y+ g. L4 C
    variable good：boolean；

    variable eh：eharacter；

: u0 O' }" J, p9 r4 }* L    ……

% h# k" s4 N5 [' s' h   
  R8 \+ S. m  s) N3 y" W
    while not endfile(veetor_file)loop
, L; H( e. k0 i2 o. H4 J
    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
3 P% d7 I9 B& K( n0 _
- ]6 ]+ R$ k( \, Z+ P" v    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
. x# ]! o9 E; V5 I, U' ~
# R( ^( ^  o0 L) a" L! _    read(invees，ch)； 一一读取空格
, X  V; H) Q% S( Q, U  w
    ……
- s& b+ l; Z8 q9 i
   
9 S) t; @9 e* d+ q2 W0 d6 N* Q
% D$ x) F& i4 k( Y3 I0 F    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

    read(invecs，ch)； 一读取空格
. j7 L% J) c  h8 n
    ……

4 }$ Q& o5 m0 N% x1 Q   
8 G9 r3 p3 X! X( R  k9 ?
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
, [0 N9 d3 ?- \! D
) W" [# [0 G9 h) ~' h3 X1 A* w    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
7 X6 U* j' 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
$ F, X, c& v$ t2 J) {. \
: }' H$ x8 C1 g4 s9 P% _    ……
; f. |6 d+ |& y$ V! h
   
8 P" m2 Z* z. D4 w. y
+ t* G. p# m2 H* a, u4 O' x4 {    caseiis

. f* v& ^* r3 U& `# q) s/ J# i3 Q    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
# k, g$ ?/ M& l! @3 T
( ~4 o( f5 u! e6 p    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

# @! T( |5 y; _" Q) H: b. H7 K/ s    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

, E2 H5 ^) Q# f, H4 Y4 i    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

! u4 v5 g/ W+ U4 l$ n1 `  o    when other8=>null；

8 n% l7 y7 A4 F& p- t    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；
7 S& D( N' I2 p) \! L% N. a1 O
    ……

& F: f( x- f+ E0 z: _   
* M/ g" y8 X0 U$ C  p4 z/ Q+ y
' R- v; y' z$ j    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   

; F. V/ c4 g( o, f+ ^5 @    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 }2 X  d. d% V( a2 U+ k
' o$ m/ a7 {% M/ X; y   
- U; d( F0 y3 l! _  q
   
0 b0 K. R4 F6 D! R1 `
   

   

4 [6 `( e# e' X& E. f    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。
3 I" R) v8 r" ~2 [