matlab

YShangJ

1 引言
( N7 p' c: ]$ ]/ D/ R  P- h
   
2 H8 k: M/ U0 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。
# c: W2 ]) g  n. o5 j
   
* e0 [8 w  O$ X! j% U
1 i7 D# _! u: w; }4 U$ b: H  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。
3 ^/ \& f' M0 x$ v2 Y
   

5 \+ f4 c* |9 x* L  \! Y9 v6 h    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
7 ?0 D/ e2 a1 c8 Q. E( v$ {
$ A8 R4 r7 z6 ?" N* s% E3 C1 j3 o- u   

8 O' v( f& K- G' d; @6 }7 U    2．1 TEXTIO的功能
7 X, K+ y0 x" j3 n
   
+ }. f3 J. [% l/ a6 V, O8 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)。

   
, `$ Q; _+ [$ H/ n$ G% f
    TEXTIO提供的基本过程有：
. ?3 @5 x; R/ ^, i  I5 J: p
; n. H7 e6 b( |; q1 j   

# y; A2 J: ~$ F  X4 j- ?    (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；
- r7 j/ }! Z. g6 e
1 k, `; Y7 V8 d" y; 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；
$ _- X7 K8 r* V4 i/ Z) R6 S7 B
    (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；
0 H: k* [0 \! {3 [0 b+ }) s
/ n4 }  i9 }, w; a. 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。
2 n4 {% }# U- h# Y5 E8 F# i
' E: y0 }  Q- ]% ]5 t   
  g# Q/ W) S1 M3 _' C
    2．2 仿真测试方案

   

: w" P& o* v1 t; x    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。

$ R! z, p7 k- i! v. Z7 h- B   

! g7 j3 Y* i2 E) ]. _" Y9 _  X   

   

& g1 J1 d# d# t; \5 N$ _& f" X    2．3 仿真测试步骤
" Z9 b$ j* q$ J9 Q8 L- x
( {- o, f+ C  W1 [5 _5 q   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
4 ?- }7 S3 ^/ K% E' n
6 b! N% j" |! Q* I. M4 P: l8 @9 J   

8 `/ o3 [2 z0 |& p5 F4 {1 _+ G    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。
- R3 I* c) q1 K' c
$ R3 [$ d; V0 p& `& }   

: E: J8 |* w; T0 U    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。

( f# @6 q/ z1 x' d, p* s/ C   
' E+ Y  ?% q( h, C% n$ M$ X' Z3 [7 |
( V* ?5 O4 V* l$ }& q    2．3．2 编写TestBench
0 Y; Q3 R+ d1 E+ {. o  u
7 y" t3 s3 h0 ^1 |" V   

    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。
# r% }! N+ |% F. j! W  z6 f
0 m! I0 s6 S- _) k7 r9 F! R   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

2 w3 U9 g. u, h6 N5 M! I1 a) M   

, }! y4 R! Q# }5 p; X1 L2 g0 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。
/ |. ?$ ~5 d6 Y6 Z4 d2 |7 A
) Y% i9 X% T9 Q+ S. P   
. h+ m) T* Q+ \# f; u
    2．3．4 结果分析
; T; _  ~  o3 g: s
, Z" P/ r7 R3 G$ x5 `: `, y   

    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。

9 S3 a2 C$ s4 o& Y: @   

    3 仿真测试实例

   
9 V* w8 {& r& J4 ^" }2 N
, n' m  O. w$ k1 k  o    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
. B! g: ], R0 v# b3 b/ O
: w0 q3 V# y5 i- r1 K   
) G  ^  I& _0 {7 T0 P* f+ A
4 C5 E0 ?/ d8 s. z0 T% Q- `2 T. 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。
5 t8 _+ d8 B: Q- |& ?) i
% `0 k" n$ S3 U, R1 v6 t5 a7 z: {   

; i8 z" q2 F0 r9 s& A: a6 S    3．2 需要产生的测试信号及波形

) U/ S! c% V7 L6 w. J) Z   
' [) Z3 k8 L) U  W( g3 Z
( ~- L3 N* ^) M, p    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。
" A3 p8 q! _  N+ B# e  _
   

   

" T+ g* M' _0 ]. d    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。

+ @$ L; \- ?/ y9 W( h' B   
3 o# A# w) @+ e6 H) N% Z. G
) S5 K5 N0 \5 N    3．3 测试信号的产生
% @; l& c- |: Y
   

    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

4 X2 `) i7 A! l7 [  D5 {" D   
+ U+ V4 R& R1 {  K( D
    以下是生成测试激励程序的核心代码：
* o& o) g3 V- C9 F- X% P- U# ~
/ y4 b( Q9 @& T    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

! N6 D/ e# X& M5 U  N$ C6 y4 p    [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
8 u7 k/ k* X( s, U* j0 x6 Y
    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
, Z% i7 V4 ?7 |
    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

5 L1 W& }' q/ X( G. N    HORTIME=64；％行正逆程总时间

9 {# E+ J9 T! i6 }    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
. k7 T& H" W* k! b" X# D* g$ F
" d9 U( Z6 Y5 p5 ~7 ^* I    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
2 M& C( G) Q) ^, G; z' }: F; Q, ^
    荡器频率，图像X方向分辨率
- g4 I: n" x8 j
    ……

* f) }3 |4 x3 X  o   
- [7 ]7 E/ B) s1 y4 s; o1 f
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；
" r) }( b' {+ ~$ E
0 X  d7 C- p! b4 Y' N. o" `    for i=l：1：HORTIME*FZ；

  L+ `! U( J( i7 J2 e7 J' J# p$ Q% G    ％产生行同步激励
5 k0 r! d+ r3 q+ H  D
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

1 _$ v4 }1 W) }! d* e    hsy=l；

    else

3 U% ]' n1 }1 ?- c    hsy=0；

    end；

8 y& h0 ~- R; Q, n  d9 K  k/ u    ％产生像素时钟激励

. Y8 G! M9 ~; x    if clk==1

, s7 e( ^% b7 s' q    clk=0；

    else

7 i: q; i) \' f! E    clk=l；

    end；
7 c$ l/ A2 P9 s; M: [$ d2 R
  l0 J9 u0 B  E. @( R  ~  ]    ％产生CCD激励
% ~  X" L3 B6 {4 ], }* p( w
    if i>NEGTIME*FZ
" m9 Y  w  R6 k- a' l+ E
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

    ccd=round(image(yy，xx))；

9 S; J& \3 h0 W+ E9 g( X4 _* \    else
2 X- ~: e% j: P6 v4 R
    ccd=0；
4 k: H& {/ t/ L+ h% f, k
    end；

    ％将激励写入测试激励文件

    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
& J) R4 I7 z$ W9 L6 |( ^9 @
    end；

    end；
; [& f' z1 J( M7 _9 u4 h) r2 |
    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：
; s( J& w. |8 ]0 v9 G
    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …

   

* W3 P/ ~9 `% Z0 f% q/ z7 v4 ^    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

    …
3 W. l4 u! v7 A4 \! E4 z
9 W3 @) {6 r9 g; }5 X   
0 u! ~/ U+ k! n/ V9 N2 D7 R
# |% y2 l# f& m* f! a% 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。
7 O' B0 E9 K" N/ X8 x5 F6 m
! w4 d+ I% s: w3 I   

    3．4 编写TestBench
5 I; S2 \& u" p
   

$ s4 z$ d% Z- A# {! 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。
5 ?2 Z8 Q6 g9 r9 ]
   

& c& J; k  q+ [5 l+ L- H: S; ?    以下是TestBeneh的核心代码：

* P- K: {, C! b/ e    testprocess：process

    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

    inp”：一指定测试激励文件

! Y/ ~& d7 h. H6 f    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；

    variable good：boolean；

! D9 z& _$ U* N( n% `0 W- i6 D    variable eh：eharacter；
: A5 b+ [) d, R
    ……
1 r" J2 m  h+ d2 N3 _( b
9 T; S1 p; W: N0 x6 W0 [   

    while not endfile(veetor_file)loop
5 M0 `  h0 c7 X  S& B* Z
! Q) }  D1 k) C8 S0 p, ?3 ~    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
/ h+ q) h$ x5 Y
) C* O# o6 u4 ?* L$ ]/ s  }2 P    ……
8 Z0 d8 l1 o' s" B* b2 M2 x
$ @( V' H: a; _. W/ O. }( S   
5 O2 M/ _6 C, J* n3 @8 \
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
9 S1 A- _6 {. q( P" f5 P  {+ `, P3 `
4 [, c* ^4 t1 ^/ m  E& h6 M    read(invecs，ch)； 一读取空格
3 d9 {2 Q8 o" X  J
( @! j. S9 r2 d" R/ H7 y) R    ……

) G5 d; n3 U( r9 r6 C$ m0 k   

    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
7 ?- Y, O) l4 N2 v4 {  R
, ]! f( }4 S! z  m9 v, i    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

* U- Y8 k) X& p    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

6 R+ W7 U+ V- S    ……

1 {9 G  g2 b" y0 }   
3 P, i; Y9 L* J  Q7 P7 u
( {: t6 t) O' g2 o- R/ H    caseiis

" @3 K4 i- H9 M% d1 [    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
2 \4 @; F1 H" O
    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

    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
' j# ~3 ]  ^/ H
    when other8=>null；

    end case；

- _$ `0 Q- Y8 Q    write(outvees，string’(out_string))；

    ……

% T7 d3 @, m( S" c   

    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   

    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。
& `# g' I! C. N5 X6 Y" F6 p
( i3 @1 M- `( c3 @5 F. v   

   
; Y4 l# o0 s+ w* W$ U  d
   
4 {3 D0 ^) R# J3 H. R
   
" }. W# B% R& n* \
    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 l  Z2 x; j; h: z3 N   
- u2 \4 A" ?' a$ i