matlab

YShangJ

1 引言

) q9 Q' m1 ^5 v. D3 k4 B   
9 b4 @2 J& T' e/ B5 J; |
    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。
7 O- M7 [) Q  ^/ v
   
# p  n9 w7 m3 P: N* Q) X6 C$ i# a) }+ ^
    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。
: a# q9 i8 e3 M8 r  J/ g' O
. n( u' |; z$ N. O# L1 A2 p   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

   
/ N( t/ Y% Z! ^/ M5 V9 j) H$ _
8 a1 R  L; l# Z: t    2．1 TEXTIO的功能

   

8 }, i6 z9 \. h0 v7 q, y    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)。
7 C  R9 r8 w4 Y
   

$ y% n7 |2 w* X    TEXTIO提供的基本过程有：
9 H$ d" O. m  q- f+ e; j
   
  m9 V* D0 {% d4 ?3 [3 b
$ Y. {" D' O- `! C+ Z. ^* M+ s5 V    (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；

4 g# r8 w  \5 }. H7 M    (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；
% K/ O& d) [( m* I
    (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。
6 S( W7 s) q: }3 p/ H/ ^
( d8 z/ S0 z: l# B: o0 O   
2 Q- O1 V9 d, H; C3 ]' D
& E, N$ p3 K2 k' [/ ?6 K& N1 H( x    2．2 仿真测试方案
& ]9 l. H8 N, C4 a8 F. r. v
   
+ P) k; i" G) K! M0 |1 H8 v
    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。
' w, ]$ _4 r) K2 N7 P1 s* s
) }. v: R3 M  f6 {' h% c   
* R% v" h5 @! g7 Q0 A, g) b/ E
6 Z3 R' x+ `* j. P! t( D   
- v% z, r; {! m$ P9 p% Q
   
- H6 j9 T' J3 d; f" q
    2．3 仿真测试步骤

   

$ I7 o6 [- B* n    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
! r0 g6 _. k2 J" e5 _
# p3 m9 K3 ^6 R( Q% N   

    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。

   

    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。
  [: r6 |/ z/ |) ?+ t
/ l1 X3 u6 m9 [; C4 @6 A) F6 G1 L   

    2．3．2 编写TestBench
4 A. c/ o7 h7 z. a$ v
2 C8 `8 r% I' N% g- J' b2 i   
6 M* y+ V# @$ Q
5 ?% D# U, ~9 }2 m! y    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。
, l, q1 ~4 q$ j& w- r$ x
   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
" |6 C& F0 G6 W# Y! }) W8 y) f
9 L2 d3 ~) m# 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。

6 O! \7 F! X; \% a- `8 A   

& c  T8 b  E; |& R    2．3．4 结果分析
+ h% j4 O, `1 y) X1 n
   
+ |, c. k' b. @- |) b/ A" r+ [
. \. w* a* k2 Q4 ?    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。
2 ]  C0 d, ~% u5 y" D5 l7 B# v
   
* F. F0 v. p' Z$ Q
    3 仿真测试实例
$ w( _  e# b) S
   
3 ?0 d" `2 k2 ~  n% T
    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

" b5 V! P3 G0 v' ]7 L; K  k/ |3 \   

    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。

   

    3．2 需要产生的测试信号及波形
. c6 n* E0 G1 x* i# w: b
   
0 x. S. c+ K. }% o+ G) p
9 j: N' L; X* y$ f4 B* h( E2 {    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。

# N# B  \) ?. q# F3 i/ u7 J   

   

7 F" B7 C1 k( q; i" u    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。
# I! Z/ l  m/ o( s$ C) M
  C7 Q: f: U9 X( t; h5 q   
$ K1 ]3 n1 J7 S. |# h  O9 r# v# O/ I
; G9 h9 m7 j" q' H, W0 P    3．3 测试信号的产生
5 ~/ A: J, m# `) c8 g1 O  j
3 g8 T3 D$ I- t: {( e/ ?. `9 G   
( J; v1 y4 |; s7 R2 v2 Q" \2 k
    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   

    以下是生成测试激励程序的核心代码：
' D: F$ g. [6 o
    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

' H- ]0 ~% [& }! X& _* V0 p    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
4 ~3 t0 C1 F0 ]
    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
* y1 w- S7 L2 O3 P7 G7 a1 @
    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

    HORTIME=64；％行正逆程总时间

0 T+ E5 w7 @/ Q$ W( s) S    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
) U" |2 F  e( B5 I% e/ P
9 }% R" q) z! D( V: k    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
- P6 ^! `! g7 J7 ]$ P
    荡器频率，图像X方向分辨率
1 b/ t% T( c. S6 w; b6 i! ^
9 ^  D( t6 }5 e& O% ]5 y    ……

/ {' c1 a* O* [7 i" t   

    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称
1 i8 E* A! ~- t4 @, H" G9 a7 W
    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；

9 {5 [( W" G$ O( {- l    for i=l：1：HORTIME*FZ；
0 ?+ n# h5 m) \! e
    ％产生行同步激励
. G7 l- Y7 o/ @
6 Z5 O. [+ Y$ e; r1 u    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
& f+ z9 @- z% [% U- u: Y' S' B
    hsy=l；
1 f2 ?+ p# S, Y* M9 v
    else

/ b- }, @$ ~; n" c    hsy=0；
( A9 [+ y$ O+ g0 V/ Z! z, C7 _5 I) _) _
    end；
) j4 ]$ K9 _2 j
: Y& i! ~1 a7 f. K    ％产生像素时钟激励
9 N5 }# n: C: B* x
    if clk==1
7 o! [* E2 Y0 F  d5 ~5 @1 z
7 T+ r1 b+ _% f3 D, A3 [/ g    clk=0；

    else

    clk=l；
" r) }5 F/ t! F
    end；
( B8 R4 O$ g; B9 P
3 B/ \: f6 Y+ W# v/ c    ％产生CCD激励

    if i>NEGTIME*FZ

4 G$ f  T: _, e6 D3 s- ?; F    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
, \# j% C1 z  [" W; B
' B! W$ _6 m0 W" K+ e1 s1 [$ |    ccd=round(image(yy，xx))；
# N6 S7 _) m6 o7 p/ l8 [
    else

( M4 w3 ^0 Z6 S    ccd=0；

    end；
, H, s4 `3 b/ M8 w6 w; u$ T' s
    ％将激励写入测试激励文件
1 ]5 M8 b/ ]! ?% H& j6 N' ]
& l7 e9 r) N& q, S, E) m    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

    end；
2 w  X; K9 Y2 }3 h
" g8 E3 j5 H7 [0 h: P    end；
! n& ~7 Q+ i3 T# k: D3 x
6 a: O; W" I/ t! f& p  A    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：

, a; }1 p3 Q6 K3 D) c7 Z& u' K- ?. @    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …
- E% X( d; R$ d, O# ]) u
   
9 L: n0 n5 g! u3 @1 f2 K0 Y
8 W6 j" {/ f2 F  `% P- D    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

    …
2 [3 g9 P3 u  _; W# p/ @% J4 c
   

0 e2 K% C8 ?% G4 ?- f    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。

$ i6 @+ q% a; k  z+ \  d   

+ S0 F& L4 W; Q$ ]0 d  v3 R+ x    3．4 编写TestBench
3 w7 ?6 M  I7 Y
+ n- M$ {$ U0 g2 z# w, t+ c   

    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 n( b9 }3 }) A6 G
   

    以下是TestBeneh的核心代码：
8 r9 X  ~1 z! i4 e* B/ O
& g7 p2 T7 u% r    testprocess：process

    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

% M+ p' d- _9 U9 B    inp”：一指定测试激励文件

    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；
& ~  ~6 z) ]4 q" N/ R) n
! D3 `" t) n* x  R( b8 m+ m    variable good：boolean；
, E. S0 |, v! R+ a$ i# |& H" \
- P( H4 A/ \( m7 m3 j* T( ^    variable eh：eharacter；

. _" \+ c, D7 H0 e& h    ……

   

- y( }( i8 `5 @3 M# V; I    while not endfile(veetor_file)loop
$ t' I$ D9 D7 m  [% o9 E9 d% c# S
  F$ o: N% P, S* q7 X    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
: s5 ^* L3 u2 K
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

    read(invees，ch)； 一一读取空格

    ……
$ D. D7 b5 [' I
$ x# N. h" q# F: T) e6 x% P   
4 `" _' k! M+ q) s) O5 {# W8 x
% m: O8 k8 `1 s4 R) H" o3 w    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

! E% w* Q; K' b7 [- N6 g  E    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……
  k0 R2 u8 m+ C# K+ e, o; w* M4 l5 P
+ a; B$ H/ a# J; V2 y' M* |* |  E0 \   

    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
5 e9 U2 d' U: ^
    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
9 b, r# S7 D& i3 g. S
# P3 w7 i7 d& N. l$ ~. [    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
# x1 J+ C5 G7 l5 I  j
8 z1 }0 R; e; T) v/ a    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
+ [% @+ g/ r  O& C
; o$ D. x' ~! Q: v' m3 {    ……
- N7 \& o0 b% M- g. ^& }
) i. S1 J% ?' }% g& f   
0 Y0 O6 t# ^  _2 w8 M& {( w
, ^7 z0 O; N6 _  t" U( a$ G/ Z+ D    caseiis

: t9 w! N# L" W8 v    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

! Q& O* p' s% R) Q) }    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
! S" ?5 [3 \5 C# k1 t8 ~  u  ~9 T
3 z8 q  y# {$ @+ R    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

& T4 d. F8 W$ Z4 o* Y" I# l) g    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
0 o% v: x; A3 p! l  }
    when other8=>null；

    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；

3 a+ h3 e" a1 H; y; u* }+ u& O    ……

   
; X4 f' }: O2 c8 }# B
" L( R# D5 g4 y7 V' W/ o7 r2 Y    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果
; M) i. M5 i# Q+ n
   
& }. ^4 J) K4 Q1 a4 k0 k3 Z: Q
    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。
' o! X7 E9 H$ W1 ]& u3 k8 w9 M- n# \1 I
   

( R7 w, c$ G7 ~) |   
8 b9 e; |9 L+ P) d1 v5 U
( g9 e7 O3 C) `* i* P$ @   

   

    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。
) T) {0 X( u/ O$ S
+ O$ j% w; b$ n9 V/ e2 @   
) E: v! a; h( w+ O