matlab

YShangJ

1 引言
" U0 n/ s4 w+ Y0 \
2 X: y; |$ H1 C1 m4 Z   
& F5 r' o; o5 J! r5 o  ^" o" I$ D
    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* Q* h! {; o, ~
& j- i. y" `3 p8 w( _- r   

9 _" c  U" Z1 H' K/ \  `9 B    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。

* i9 }+ I: Z" f' Z   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
5 b/ |, o  h  h' s
& K5 U+ [8 K$ Z5 C% u- a# \* l   

    2．1 TEXTIO的功能
' l! ]% |$ T& D" }0 ?
0 T( O( n$ r" d/ L. R2 f% }   
% F  m/ N! d+ r5 X6 R  {5 u
    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)。

   
* }/ U% g) x0 P7 e- x
' o( U2 c% w# N! c- a    TEXTIO提供的基本过程有：

( g7 L8 x, ?+ }- T2 r1 u% C   
2 \* s! d& N# g
    (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；
9 V( O! D. @6 M/ f& E- {0 k
    (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；
$ ^" a& M! K6 y5 v
- Q  g0 i% p- O1 ?. e  r    (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 h9 K' n' l3 h( a
    (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。

, |) I$ P) M. V" j* @   
. a" z/ Z8 b/ G
  m( D; T8 B0 J+ S, q    2．2 仿真测试方案
9 @7 x5 \( d. w6 o) S8 W# O
$ P  ?  M0 V+ b- N3 U   
" P: ]& v6 c" u3 q2 [
2 F, \+ g0 z, ^) X& d/ M( w: ]    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。

   
7 |5 g- p  F+ ?5 P
* ]5 O0 D% W# T" `& J   
' [5 i6 y* N6 H4 Y7 c1 Q$ }
" _' e$ t  I8 \* C" Q. _* h   
4 Z8 ^. Q; R) r6 Q
6 j, x: A& Y5 M( J9 {* G    2．3 仿真测试步骤
6 Y7 ~9 T- ^9 q3 \) ?- [
   

( b7 ~& \% H4 b% U    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

% C: `7 G( U! I# f   
) Q8 |/ s: G2 b! ~7 D6 y6 X/ l
4 l( z, Z" q& l5 y! m7 f    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。
9 i+ q) ?2 V$ u1 I/ r  G' z8 d9 t
/ l+ \' S& k7 p& H( Y   

9 z( Z1 ]6 `8 }+ B    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 Y0 _9 V% C; P9 K' v& U    2．3．2 编写TestBench
9 M7 y  ~8 E6 I& Z; x& ^
   

$ J7 S3 h1 \- S    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。

   
& d9 A' y$ E# J4 I
    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
: ?9 n: r9 x, C. a6 r6 R
; n% E; K+ {$ F" O6 E   
; e5 j# a9 b2 K( S0 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。
) z: k2 {+ `/ ^$ x- O
   
  T# L: E  P: k3 ?. v) Y# I
  O9 e+ F7 x0 B    2．3．4 结果分析

   

! w: T( K5 I/ X    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。
- k  U' V7 H' |$ U4 N1 a) W
   
" U  Z5 T9 X; `$ |% f0 y9 t- ]% o
    3 仿真测试实例
2 h+ k/ ?, A9 [- T. M( Z" o8 ?
   
4 a' I. s" ~9 S! k  i+ d; Q
5 L+ X8 Q3 ~( s; c2 i7 b# M    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

* o1 ^, l* B. e   
$ G4 P+ z+ \* n7 F
    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。
' n& ?# A$ l8 j% x7 U/ X& s/ E
   
: }$ b) x2 [9 w* V
5 ^9 n& F5 [. }5 }: i5 E9 O    3．2 需要产生的测试信号及波形
9 m* M, S9 _3 K( v: m& _. I
/ k% B9 \) \1 }4 |! ]6 \7 G   
- d, p. o; r. B3 s* p! D& p
; p& m, m0 B* H; [) m    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$ ~% K: M, j7 m   
4 ?1 s; e! h  T: U- q& [( w
2 }6 j' e3 u0 P- C6 N, F   
  @0 D: f. r0 C! `) f
    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。
! W0 _- m8 N" N- w) y5 ^, d7 N4 P
   

3 h" K5 z* M# x  \) }) \    3．3 测试信号的产生

   

7 s5 F$ p' X1 S    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
+ r# M5 o2 p9 C  B7 u1 S: K
: ~2 U7 V5 t9 F% `0 R" j& R   

    以下是生成测试激励程序的核心代码：
! H& y  A3 Z4 `" {5 Q6 ~
+ l0 P, S7 N# T1 i    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件
/ k' G& b: F/ h" u: u
    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
6 W' s% x2 o9 s% c/ W6 h5 Z
    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

. H% c+ S& _2 b/ r" N8 ?! g# `+ P    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

9 m% s8 B, Q- [    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
( o5 c. i& k& a* a
    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

# T# g( A& {: H    HORTIME=64；％行正逆程总时间
* ]- ~: Q) s  ~( z$ o
    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

$ C5 v6 p. A' q, n3 y  T/ u8 I7 V; f    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
' t) R- e0 s) u$ A* S/ p( }
% ]/ ?3 N6 G9 d5 m    荡器频率，图像X方向分辨率
0 ?+ G/ e  F8 s: Q" E2 ?1 l
3 ^# ^0 k0 z2 k    ……
$ v1 B  S( x% w  H; n6 y
   
8 \+ D$ Q# e( p$ Z9 A9 ]
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

6 a& V% ^$ y9 _* D    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；

    for i=l：1：HORTIME*FZ；

    ％产生行同步激励

8 q. W  E1 G5 J& B' @    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

, ~: `( V: h' @1 D  ^* E( k    hsy=l；
# h! s+ ~/ t' A! O
& D1 @/ R% e; g5 g9 ^    else
) z5 B& q! m+ ?' Q
    hsy=0；
: r! Y% g3 ]- I$ J$ B: ~
    end；

    ％产生像素时钟激励
9 Q  X# M* Z( j+ ?6 g/ z
    if clk==1

/ b4 J. L' U8 {6 Z    clk=0；
" {3 y$ _; q# v1 U. S9 H
5 F" W* T2 [  A8 C    else

0 _1 M! u) c, W, Y! o    clk=l；

    end；
1 m: M+ Q; X3 l1 T
    ％产生CCD激励
+ }- R; Y7 R& p3 L' f: X" `% s6 C
6 P. Z7 }% }) X! N# @) v: T    if i>NEGTIME*FZ
: Y& v$ E% |- n2 E0 T
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
  o8 e) j" \( x/ \9 I2 l
+ C4 Z0 R8 h/ \1 @; p    ccd=round(image(yy，xx))；
/ f" r1 u% j) s1 O3 R+ C4 z# V
    else
9 D# M" H+ P8 ~, `) n; H
( K& K# U/ i% \( B    ccd=0；

    end；

    ％将激励写入测试激励文件
2 |& o6 u) I9 d7 Y5 F5 j4 ^* U1 d2 `
6 H) t: |- R( \: W5 @' @# V3 V& p' _& w    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
3 M! ^# R. T: W2 G+ q
    end；
. r( i% @$ |) ^7 l. H% q+ D# |
2 r9 a5 y' D& X9 X) {    end；
" @+ b4 G8 f& ^
2 q! k+ c7 p) D  r* b7 Q    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
  Y0 f$ i' w) Y' ~( N1 L0 y) A- E
    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
0 R# }) q' |$ h5 W
6 Q* I* H. x5 }9 H6 N, N    …

- f: t" X9 T1 u& L" [6 X7 O) e  r  r   

1 d* i" S( E, Y5 W8 h) E+ K1 A    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
8 ]) {, ~5 w, V/ C  \
    …

, I" n4 C2 r& r0 ]% ^, T* o   

5 P8 e5 {% V; n; _1 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。
8 [! _6 _- V& Y; V
   
: e/ f. D3 f, U7 G, c3 z8 q
1 J" a! R) J" N) B    3．4 编写TestBench
# x. A' W  H% Y: X, O
9 S: |9 \1 i0 [* `5 o  g) ?   
' }) y5 |. y  Z  w# G: F
9 G7 u- n; t6 {& M: h& 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。
+ o0 T; O  k8 h) Z. K
   
0 x2 }0 _6 J2 i) X' f, ]
    以下是TestBeneh的核心代码：

+ `3 m7 m6 f4 s6 Q% a. O    testprocess：process
2 ~" n) m& }& h5 a- G/ z& W5 W4 o
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
6 Q+ r# C' |$ p) N3 c
    inp”：一指定测试激励文件
5 g8 E5 p! g5 F' j; r* U
    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

; t# ?: b6 Y+ R' k0 Y1 y, r    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；

    variable good：boolean；

    variable eh：eharacter；
) T- o" P1 z/ x
    ……
2 ]! U3 H8 u: J2 r
   

3 U: K. d! y: C$ V1 [    while not endfile(veetor_file)loop

    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
) d6 P  s6 G  C9 N
    read(invees，ch)； 一一读取空格

    ……

1 e, S. P, Q! J7 `& s- X   

    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
" q+ y5 u5 Z  b6 Z  @
# _% G1 U, _6 B3 p# m$ Q    read(invecs，ch)； 一读取空格

! N/ m- V3 e1 d6 ?$ L! x    ……
( t' C, r& v; O6 Q9 N* j* e
   
( C3 i* K* m) o8 {
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

8 C: B& x$ ~( r# o+ z, H9 |: @3 \, S    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

9 d- V9 A) Q5 `8 }$ f" D: c( y6 P    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
6 {) K: L3 N& N' B# }4 Y- ?0 H
1 v, U! M% y2 r+ R; E' [    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
$ f9 p8 j" F; O3 f; ]1 G+ S  J
    ……

/ L) K5 b: v/ A% o* D   
2 G8 m; v! M& S$ i
    caseiis

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

% R* y. `7 x3 S! c* k5 t+ y    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

& n$ H' m& s7 u    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
! A; p% a0 W1 o) m) B! i4 m* s" I
6 r$ B  y* b; \' M7 I    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

/ V4 U5 a( t4 \9 h    when other8=>null；
5 m, e* {0 W' B9 `8 I) B
6 N- n  R8 I! H# f: E/ Q) x    end case；
& \7 w- }! [7 E
    write(outvees，string’(out_string))；
9 f- j* S1 q/ k% r3 q1 f+ J2 O6 h
    ……

/ m, j* |2 G8 r' }   

    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果
) C5 A' ~3 V  _9 R6 |1 M# C  t
: W" |3 B( Y) c; `& |" z% `   
2 y% Z/ j1 [3 M9 M6 ~
( I7 E+ x# `, J7 v4 }4 P    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。
- a* D7 R% l2 B, C- K
   

) v! F2 ?0 Y# ]7 d# C! P   
1 d1 ^7 |9 ]+ ~+ B
   

   

    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。

2 t/ y$ }8 h- J& Z2 \9 |   
, L, c: }7 L1 h+ S# c* @4 e8 ]