matlab

YShangJ

1 引言
* A3 P/ Z! [3 I4 C; L# `+ h
8 C8 x; `8 t1 ^  C   

- d0 Y3 @9 U+ p) r1 c    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。

   
$ C7 a) R5 u" B! V1 e. e$ w8 `3 }
* ~' K. l  i" |. K6 A7 N    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。

1 y# \) g! b6 |! ~! z7 P5 S+ v   
- x2 t8 A% O# i: L- m
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
4 |. r3 N  ^/ h
   
1 n& o" O- p  F8 n0 j- l* p. [
$ H% w7 F  j8 {9 V0 L7 m    2．1 TEXTIO的功能
" l6 u! _0 L6 U: x
   
8 t' c- X& t, s+ 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)。
" E. O' a3 Q" ~& R3 H
0 T4 u5 ]- f- k3 Z6 _   

    TEXTIO提供的基本过程有：

1 c  y% W- U' m   

/ K& ^" h$ v+ D    (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；

    (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；
7 n& [- E8 Z( w# P% h" c5 r9 L
    (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 K$ T. U6 b4 B# g5 S; b9 V# g    2．2 仿真测试方案

) u4 e4 X5 @* \) v7 B& |- ?6 W" l. J   

7 z1 S, R2 _; M+ M$ ~    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。

3 V) b4 {; {% {1 l3 O   

/ k3 b( d5 h& F7 u- X   
' Z0 V; g4 y! }& A/ M$ C
   

. r  H$ x- h6 M9 J& A! x    2．3 仿真测试步骤
' U, v; @2 C! i$ W
" c$ J& P$ n8 n   
7 z- f8 _2 P3 Z
    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

   

+ C( B- ~* Z- W    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 \- Z0 k# {+ R( `, B   
2 Y9 Y7 ^2 u" t1 W5 {% F# U' F$ D
    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。
7 ^, G4 W" z( [
   

    2．3．2 编写TestBench

   

9 p; V  M0 Q: Q& K0 e    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。

7 T. [4 [" {7 Y   
. S- s; T' y5 u1 {0 U
    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

% |7 U  R9 z5 o+ m   

    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 S. i' `5 w2 D# M4 m
    2．3．4 结果分析
% s' L0 @) ^. q9 x: z/ \9 o
   

    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。
- R6 h8 l; }7 A
2 W/ x' c; a2 G8 }$ N' P- ]; t7 k   

    3 仿真测试实例
- D  n5 p" ]; ^# l! O- Z8 }3 P
   
( m& [4 n$ H7 d& M1 z
    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

   
. \3 G6 D3 E8 a; E# \# p
8 F3 {. v6 L/ G) p    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。
4 M  Q) S+ C+ W. V5 y
2 Z0 [4 Y6 k9 k0 Z! k   
. r* e9 Y9 A7 p8 G/ u5 Y' S3 n0 G
    3．2 需要产生的测试信号及波形
& K4 n4 i* C# v  z/ k% t
   
8 _3 F) R5 B: K- @( U6 d
0 ], _7 b$ b8 V6 \' r% w% L    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。
6 M0 P: D7 Q7 Y5 }1 @  r& M
. F$ ^! h( ^3 o   

2 o6 U) Z0 |$ b, ]   

    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。

   

. h0 Z) M; D1 N9 O8 ?  ~  L: ^    3．3 测试信号的产生
' e! F6 a( ?- y* S, g* a1 F
   
( Q( f- h- F5 f( x' a; Z) h3 w
) W# _* w6 j/ P6 F& ]    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

/ y# B; w2 Z, F   

    以下是生成测试激励程序的核心代码：
7 |  v: S2 A' G7 ^/ D* z
% m6 s! E+ p/ q    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

    [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
# }- O' |1 ~8 O4 e
5 x6 O3 ^( Y$ P: n    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

$ ]$ n: }& X$ m) w' E: G4 f    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

! U$ {# @$ F' `9 ]  p. \3 v    HORTIME=64；％行正逆程总时间

    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

8 O  \, L4 \0 m% b    荡器频率，图像X方向分辨率
0 V; k4 C+ K6 F5 D
' U3 h. n$ R# [! D, ~) K    ……
* Q0 Y& |% ]% I3 m$ m* _0 [
   

$ l+ @4 T2 O, u# E+ v8 q    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

    for j=1：1：YN；

, Q3 D4 L7 ^* t* s/ Q* l    yy_j；xx=0；
8 v% ]7 z5 ~# I! h, `* I
; c: c7 c1 x# O6 C5 a    for i=l：1：HORTIME*FZ；

* y! P( f( w3 o9 {1 o    ％产生行同步激励
1 d8 c0 {. {' q: N
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

! z' B' K% R* Q. M3 A5 I0 j    hsy=l；
. A& ]$ y' }3 ~7 e3 w
    else

    hsy=0；
0 y4 y, C9 U- e  y, R, {+ e+ a) u
# W7 Q3 `/ N2 Y8 M* D' |    end；

    ％产生像素时钟激励

    if clk==1
5 \* {" E8 _: Y9 o7 q0 w( I
    clk=0；

    else

    clk=l；
$ G4 E, l& w5 H0 x3 ^) G7 X
    end；

    ％产生CCD激励
! u( d: V9 b, l3 {- }8 `
    if i>NEGTIME*FZ
& R; M( U1 l0 H: W: P# n
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
1 f' P5 p6 l; a; [1 @/ p- c
    ccd=round(image(yy，xx))；
6 |0 Q$ n/ b2 p: F! L# C
! @* \& n! h  O1 k; ~2 D4 l  C) Z    else
2 S( x  ~9 w4 T; ?* H
' W2 b2 D/ p" @: Q. q    ccd=0；

) p* H' h! t, J& f. S    end；

    ％将激励写入测试激励文件
3 v8 V; t) h) o2 |
4 e* @7 S6 i, i* @5 J2 y$ O    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
7 a' u" S/ h4 C$ `" b% `, D: m1 J
    end；

    end；
$ h& f0 ~0 v8 B' P2 H; Z' L
) w8 m+ P+ p: `; k6 y& f5 _    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：

7 i( L6 n* P- P+ ^! j$ F    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …
$ k3 \+ s1 T4 a0 R$ Y
   

' ?- }% ^/ Q, [  u% y& ~    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
* F. n9 L" r0 s& }& N& H
    …
' C# f& \0 V8 _4 t$ t$ }" G
" J0 J3 n: A: a, Y! G   
, y3 d, r6 I: F0 U" ^4 j
    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。

   
! P  A$ t( N. _' a, v9 }
    3．4 编写TestBench

$ a* a7 y9 R# d' |9 m0 J5 C7 a   

    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。

+ j# r6 |  W* z   
& l! \0 \1 h0 f# P  O" K
. s% q0 s6 a& c3 X' m    以下是TestBeneh的核心代码：
- P4 G# l1 \2 o- u7 @( n; P" ]% x
7 S$ j9 m6 n6 k, F4 w$ d    testprocess：process

    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

    inp”：一指定测试激励文件

: K$ K# a, \0 U0 A3 q6 _" s& o    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
9 ]$ {  A/ _3 m3 @. q& f  B
& f% n9 Q4 i( _, _  @2 E/ ]    一指定仿真结果输出文件
% [8 ?7 Z% w7 |; k4 J. ^
* o: V1 {  C0 G3 j: Y    variable invecs，outvecs：line；
# @: J7 ^; x6 [+ V0 I
    variable good：boolean；
! u7 |- Z/ C' J4 R0 z( l8 S( j
9 n5 e/ r0 }4 B0 d) E: j' v. `    variable eh：eharacter；

    ……
/ V' N: m% P, Z9 b5 c' p) N
   

    while not endfile(veetor_file)loop

+ ^" ?2 n  V- N$ n8 m    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

    read(invees，ch)； 一一读取空格

* ~7 u9 P9 D8 o" U/ z* h    ……

. u; I% e: o% G( y/ q2 F* p) i   

    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

    read(invecs，ch)； 一读取空格
$ X+ p6 d1 }6 ^% g
: P% [9 t8 z" d2 p, }& P+ s    ……
$ _4 T) o* e# E
& p4 d, h* l& t5 P/ E   
, l! w4 h: g+ O" U1 b/ d) Y- f
* f) b3 _' ]! w    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
, {9 T0 @6 ]4 s- F6 s
    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
, O* z" [+ a3 t: C% ]+ H1 V
    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! n" F4 D% h6 L) b
2 S  s! I" q5 w  {# N+ N1 {+ y2 p    ……

   
8 Z+ x$ I7 M/ T' q# g+ L7 |* Z
% e4 g1 ^$ d. }1 t% `; d1 ?. C    caseiis
( t" Z- e/ |6 R, N
6 h- w- m! Y2 p6 s& L4 u$ f    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
7 b) x: R" D1 g
    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
/ F3 R8 ^# n+ p: e7 i' n
    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
( N. `! X- e/ z6 v
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

7 y6 `( E. D: h/ X& x. g    when other8=>null；
; ]& ]# N  m# p6 Q. X( Q# `* C* U
    end case；

* K- {5 A7 C1 P- M    write(outvees，string’(out_string))；
! X$ l3 B( O) z9 [
3 O& A- T, J0 L& ]    ……
3 l* g' K* \* z' R. l- [: V
; e) A% Y" c" o" v1 P& K   
% r9 H8 t. e6 ]! V
9 _  X. l$ p% F    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果
8 R6 m# L7 S/ X- m
8 S, \, T# A: J1 l   
; t* g. T! u- J' M, Z* 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。

# z6 U  E$ a6 I' ~; m8 U3 {   

. r/ ^; W1 a7 v, E, }" l   
+ ]: V1 A6 K# j) @6 e* |
" w5 I( S1 Q2 a) U8 V   

   

    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。
. k7 x% D# x& \8 y