matlab

YShangJ

1 引言
0 U) D- p3 I) Q1 o' ~: n4 l; u
. D+ M3 N/ q0 m1 J8 K& ]- I   

    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。

   

    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。
5 l2 O4 ]) D+ X& U1 Z* T
   
8 K! A4 h6 n" E1 T# c" R& ?, W$ s
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
+ l6 N( K5 q1 ~: E6 I
   
  k+ [# a- L7 A
    2．1 TEXTIO的功能

% U( z% c$ m$ G% ^) i( @6 F   

0 n9 D( S" |& i& z( t  e    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)。
4 J- b7 u% v3 j
   

    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；

! b  p9 @3 {- n7 l    (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；
6 o- s! n2 ?8 E' w5 P" p: Q
    (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；
3 e( i6 A' h7 n. g9 Z% ~% `! Y
    (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。
" u+ e2 `* K- s6 P2 @. u: |
   

    2．2 仿真测试方案
4 v- K1 Y. Y  d- [1 w
* A/ F9 O3 o9 Y$ B- k( e   

$ Q0 m( y3 y) w1 `6 {& 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。
5 Z  T/ Q1 p% n- g4 U; @7 B
2 b; y. a( _: s+ C2 W. p. l   

1 q6 V  v) ^: @' F) J/ ~   
% D. R; Z) C0 R) O+ j* x) F
   
5 q7 X& `4 }# k* D$ o! d
    2．3 仿真测试步骤
0 Y7 C) h4 J9 [2 ^
7 U# y! s, J' h6 {2 n   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
' y4 L) t3 V! q- q/ h8 U
5 D& J% N5 C6 w) Y- G! C   

6 Y! _! H/ z3 L6 m) [6 ~    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。
) G  J4 O" \1 `
   
$ ~4 z- Q2 A* ?4 t, t. J
  ]% y0 ^$ ]3 C    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。
2 w8 G7 C% C' r, I' w1 z* v: o
5 F4 @2 G8 C# d' A2 T  N) R   

& y5 w& D6 S) S) A2 E    2．3．2 编写TestBench

   
- w( r: t8 b5 \8 L5 ^7 e7 p3 Z
- ?2 ]" A& Y5 R) t8 B    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。
* @) S3 W5 T" i# q* m
   
: s+ s+ D6 Y* X0 G( l/ [
% P+ |8 c1 [6 F1 F' e+ p    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
8 ~- J( o; I1 w; U1 j! D
' m% i) r4 D& w) W   
" I5 X0 N/ m, ^7 L6 I
    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

7 J0 A6 Z: \  ?# `. M   

    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。

   

' Y% q& o7 W. ~* H1 U/ s    3 仿真测试实例

   
/ p% g6 i4 Y+ N/ `) f9 ]
2 N" ]/ ^! z' p8 C    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

   
/ ?5 e& J6 U& z5 m& |- G3 q7 R
    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。

   
! T3 W9 {, V# H8 j. \! K: k
    3．2 需要产生的测试信号及波形
- Y- X5 a/ _0 K; z
   

0 r8 X$ _" i+ E1 }! B    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。
2 r8 w9 m. i) ?; h* I4 S
) }* K. u7 {8 T5 @1 {( q   

7 u. j! f  D9 {# E4 q2 g# e! y6 K   

    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。
: {5 G4 _" w: q8 Y3 x# L3 {6 k, i8 ?8 d
   
+ u' Q. U. H8 F6 x+ m7 i' M6 [* H
  M; Z5 x# g3 ]2 O# f% N  e( F. y! u    3．3 测试信号的产生

   
5 X9 B+ b4 o* `! y4 e& [% L
' W6 T$ h+ w5 f: b    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

' G4 X( ]+ a/ I+ I   

' W* {- T4 s, y: d) ~2 a    以下是生成测试激励程序的核心代码：
) ~6 X7 A* _, F; |0 A
    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)

" Q- p0 |4 t8 }$ Q: [    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
9 B+ s4 m% T# g9 C: ?
# x+ d7 H. C) g/ N2 }- ^' t    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
( f/ F& T" ~5 [) F5 v
    HORTIME=64；％行正逆程总时间

) l% |0 o. G2 e( ^    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

8 ?; \2 L. j; p/ j    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

2 i6 {- ?  r# O1 G6 q4 z    荡器频率，图像X方向分辨率
! p; b2 w2 K' f; M/ f$ T/ _
) @( Q8 _3 |: a  E9 |( _8 P    ……

   
: o* O" d2 U  m3 z% o& ]8 m
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称
/ L6 D7 H+ o+ ^2 B
4 a- [/ I, _; {% v    for j=1：1：YN；
+ l$ @2 n) A+ I0 k* H( w
    yy_j；xx=0；
: g- U: o3 I2 T8 `) U
    for i=l：1：HORTIME*FZ；
. ^( g" Q1 x& {' w% `5 |# ]' i2 N
5 w" b0 `- d8 N1 @( x    ％产生行同步激励

    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
# j  s9 J% n, L" K8 q, Y4 ~
    hsy=l；
$ k1 u' J7 B/ z/ D$ N
. u9 h! K9 a0 U  C& ~/ t) N, Q    else

: Z  w$ r; Q4 `" e. [6 ^4 }. `    hsy=0；

) Q( Y: Q: E9 ?    end；
; t! }) g9 Z+ n
, X0 T- j5 w+ e* O/ F    ％产生像素时钟激励

    if clk==1
& u3 }) o+ S# O
    clk=0；

    else
" ^* G- I6 m1 @5 i
  {% U' i. j! T0 Y1 E4 `  C    clk=l；

    end；
! l7 Z$ i" O& B, s- ~+ h) |
    ％产生CCD激励
8 L& |8 \' J- u. A& l/ _, B
6 o/ Y( J+ Z& s: z  g  A    if i>NEGTIME*FZ

    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
) H  ~) [9 ?- B0 V0 w
    ccd=round(image(yy，xx))；
& K7 m% T' r$ ^6 \  B  s0 Q$ U
    else

+ s& N& a% g' e6 L    ccd=0；

    end；
' E( l( f% J* ^
% ?& N" N1 W# u1 q3 y( }    ％将激励写入测试激励文件
. |" f$ L/ t% u8 ]9 C: J. z# x1 f
# `; {1 P7 R: d9 C* t    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

    end；

    end；
- _3 _: ]+ D8 G- c- t2 g
    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

1 {& v2 U& Y2 i3 d% l3 y  q  M1 x, U    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …
0 z8 F) T+ t. g
   
' h/ z+ N) C( ~2 l; ~# r
" ~' y  p( a. Q* ^4 W5 A    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

    …

   

. k6 b" Q2 f6 Y' t    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。

) g3 R5 \" s& l3 v" x" q& \4 {   
# B, J1 y& d1 u* b# A! k
    3．4 编写TestBench

6 }* F( V8 ^: @+ Q2 S: y% K   
  D$ O( L8 Y6 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。

# E" Q' @( r( g* Y3 @8 ^   
! @3 X; ]* o2 G* O1 X
! J  H- ^0 B" p+ l  D6 Z    以下是TestBeneh的核心代码：

    testprocess：process
& u  v2 j& g, a2 r; v  ?
+ k4 @8 E9 a3 O; J) V! w    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
; E8 o( R% V" K
    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
# R! }) U% N; c$ H+ Z
# V9 T# f4 @( }& J3 p    variable invecs，outvecs：line；

    variable good：boolean；

    variable eh：eharacter；

    ……

   

3 w; D2 T4 @  y' `/ ~: @7 B    while not endfile(veetor_file)loop
8 x  s% ]0 u; R' E* S; X6 u' J4 U
    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
5 V) _7 }: D" B
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
# R, |* D0 X- g0 K0 N1 {' }  x
    read(invees，ch)； 一一读取空格

6 a- P( h9 n1 o( d+ @+ U2 c    ……
6 y  g/ D  h; J! d; Q! V, f: o3 m
   
& C! `" o: L, N
4 S9 H) |4 [& j' V- f5 b- }6 w% d    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
( C" N  x5 m8 Z1 J$ _
. c* w9 ^* G) N2 I1 W9 U. S    read(invecs，ch)； 一读取空格
: \" M& Q8 A! v  _
% ]4 z5 m: _5 ?% @- K6 o    ……
" f- T9 X% d, `8 y# \# D/ }
   
% t/ ~! R$ @' J0 J# R
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

$ B5 \. J* p9 ^% E, G/ |* M0 B) S6 t    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
' j- @& M& a2 O- }$ Y. d
. m% F2 |$ b' T/ O7 I. Z) x    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

& t: I6 l3 I  q% K: r    ……

   
; r2 C) `3 U  ^% L9 i9 u5 h" q, n# X
1 C) e- J+ ]7 j# u" j% O* T3 r0 `    caseiis
1 t6 X# E5 ?3 @) P( }
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
( f# G2 m2 v# n3 D/ d! T- T: z, q% F
    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
$ m; J2 x1 {% r* A. n6 M, R, {2 j4 `
! C; @! z6 _( L. H7 B2 Z    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

    when other8=>null；

+ F4 k4 n7 n7 P0 y' y) |' j    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；
; ?/ o* i% R4 p
    ……

4 }$ }3 L# g  Q; i% ?( J3 j. e   
+ ~, W2 p% [0 Q! @: r
/ ]  N' Y- y& B    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

# p. X% u$ ^( g! g9 d   

& n' W' F, V+ k! J" M% G    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。
) L- v' o, v/ m# a" f
   

& Y& \$ T+ S' \7 e; n) u   
  M% n3 ~" U0 a8 R
   
! }3 |# B, r# o' e
   
0 Z( O; @! q' [( p( W9 M
" }1 a5 P9 e( W5 N5 U8 p- _" Q: W- Z    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 y7 P) R4 k- e: ^( w, H+ u& t; g
   
3 X4 `, h, p% o