matlab

YShangJ

1 引言
! }' ~, w3 }( B9 R" p
- M; E( u0 G$ T' x   
3 {+ a5 S2 ~* O- R( t- \! q3 Z0 `
    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。

   
; a6 E  P3 P$ @7 ?; h- X
    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。
% M3 _7 x9 d* Q: W  x
: V' q6 U7 k* f   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
- b7 f) H- V% s, V4 V
) H5 E* k7 x- T& k5 v   
9 g6 s( M" X  m. T
. M( B% ?5 R$ Z/ V    2．1 TEXTIO的功能

9 [9 I: Z4 Q( j- ?1 t/ ^: o/ A   

/ z5 m3 A1 y. [1 j; g/ ]    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)。
- J4 ^1 c, D/ e+ S/ d
   
3 n! Z% J# b$ g9 A) ?
8 O  k. {$ j8 Y2 G$ G5 r8 [( v    TEXTIO提供的基本过程有：
: I$ F' D) ]& s8 W$ ]- d; Z8 M+ H
   
, o& |9 ?+ d4 t* c
: K% b+ `9 ~' D0 J( }0 K1 S  Z    (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；
, w* B  e7 z: W# J! h# B2 L' Y+ |( A
    (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；

7 N4 A0 S* u6 E8 g6 S: K/ 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；
+ M2 l; Y9 N$ n1 g
; n. O% ^4 U% D. X2 F/ G    (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。

   
  M) }& ^4 l+ F% c1 |
5 Y4 T6 u8 e! a: T! ]" u    2．2 仿真测试方案
( z0 n) H) p! F4 Q; H" K- I
   
7 \* w' p: S. T! Z9 A. d4 i% W! v# J
    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。

   
! p& u  `+ L( h4 j6 Q; W6 k
  a9 n1 r+ f" E- D   

   

    2．3 仿真测试步骤

  k) C+ i( c$ I  e+ M! Y! a8 V   
  c/ P( W: e. t; {. Z
    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
3 f9 V) k% w" x
# N" A1 Y; Z' }1 Y& ~  L   

& U$ q) H& Q, s/ u/ O2 g/ I    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。
% A4 x! s! ~% c7 z
   
  O2 ^0 }, H: V% `
( n+ X# U. e3 l    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。
! d7 f2 n- B# Z
   

    2．3．2 编写TestBench
: V8 D& f& {# O" Y. Z0 X. L7 K
! K$ r! S4 E8 I4 w9 c2 j; F   

    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。
1 N7 j! x3 b2 `0 P* x( l. C
# K- p: V: p/ B$ M" |   
4 c5 [# Q4 Y% e0 }1 c% o
    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

  Z' K8 b; i: h2 }$ p% k   

8 N+ N. E5 J4 F. U  b    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。

   
) u2 L7 g" a# h& N
    2．3．4 结果分析

   

    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。
* C; e8 N/ R/ U& B+ ~. L0 x" M+ z6 R
3 K, b" s( [- T3 n5 A. u$ d7 J$ a4 I   

    3 仿真测试实例
1 D( a  U% w4 E# s: t/ M
   

# n, h: [3 ~; l    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

" F$ b% N6 s: X) u$ M   
9 f; U4 I0 A" B1 r5 z
    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

   
% x+ F9 E5 o# ^$ E
4 d+ t. K0 g6 b0 v    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。
7 _! \% B- [: s, O# q
   
4 |2 k  |( @, V" W
$ Q9 s; t% m8 d0 |* `2 F/ x   
2 R- ^' g* v# `0 W/ q" n3 I9 S
6 C5 }3 D# }% ^; j2 t    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。
% B! ~$ H7 Y3 f9 u+ G) P' D
( {' }% v3 {" `. X   

    3．3 测试信号的产生

, F! X9 Z0 O+ G8 Q. \7 c, r! q   

+ z6 ?1 Y+ J$ l; L    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

( c0 O* K9 w: |- |6 i   

, X4 q/ k9 Z1 ]$ ~    以下是生成测试激励程序的核心代码：

7 M' v: y2 b( r. P    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

) \, e7 R0 Q: R0 Z5 w0 E. y! X    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
" \+ |  p& b8 i! v& I; F& \
" O, s, Y. x% z6 ~2 [* {" E    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
$ e: W) M/ [: y( Y1 E
    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
+ N2 [- ]/ `6 L
4 Y+ w  E, d  w; B    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
& B: Z! W& ]) Y- @$ o
& r1 V- L- K) e% r% B" z3 y7 y1 v    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

/ \- s8 A( e: {) {$ i$ e    HORTIME=64；％行正逆程总时间
9 R) Q% R' T( B+ D" @
    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

    荡器频率，图像X方向分辨率
, }' |# x7 _% c6 V- O8 e) {! ~5 I
' R$ E. I' j& o- K, o, v% a    ……

6 ?; ]0 s. x9 g7 D. x5 o- A   
; K9 G9 I/ E% q6 d
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

/ m- X6 k+ |' _- H$ S    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；
2 ]3 F  m( J# |% L" h4 \
6 n* i% N1 d- e" C8 s6 Y    for i=l：1：HORTIME*FZ；
9 y8 o( |+ v5 @& _6 z
& h3 T5 K6 E% x  f9 P6 \    ％产生行同步激励

. G! j1 M9 _* I. \1 I9 K    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

    hsy=l；
+ T% N7 S, l/ e
    else

$ q9 w4 y+ _/ t2 R& d3 o    hsy=0；

! j3 i- k5 _8 U1 A1 y( Y    end；
! ~4 e5 F  u9 g
1 T' P7 a2 R+ v: Q) j& ^! _4 X    ％产生像素时钟激励
* e* T! u7 I5 J' n' z
9 ~. R- B. Q! C; M    if clk==1

/ ]7 D% C+ I7 T/ F6 s. m    clk=0；

1 Z! h# \5 P7 J# @, j9 r" ^    else
6 Q/ E2 X/ @. d+ i
    clk=l；
& {& K( G- G* o. U1 M; V' U- ?) G) p
    end；
2 c4 s9 n" z4 C  ^! g3 a" d4 F) ~
    ％产生CCD激励

; \2 O& u( W* @. ?    if i>NEGTIME*FZ

    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
6 N) V" g6 Q* O  |4 y6 u/ C2 ~
6 e, j/ r7 z: Z" }4 N5 ?+ V    ccd=round(image(yy，xx))；
1 u8 A3 _6 E$ W
    else

    ccd=0；
/ \0 l+ z- @) M3 A, X# j2 X
    end；

$ R5 X! i9 O  D3 q9 g    ％将激励写入测试激励文件

    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
, E9 p1 f6 b0 i# z4 f9 }8 C
5 ~; |+ d/ l. o9 M1 B    end；
7 j0 q( @/ y3 Y7 ]& X. K) L
    end；

    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：
1 h+ Q- q# y* l4 S/ [% P
    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
: h5 |& y- U/ x- {+ @0 U
    …

   

( W% n$ u- R* a5 C) c! p0 [    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

/ G" P9 Z; n2 c6 n    …
1 ^5 Q& O: O. X, J$ {# U6 V4 ]
* m% O8 D, e. a, R  T2 M& u: c0 H! M   
* G- l& K0 j. c/ a& x; ~: M
    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; w7 n" d7 H6 {- V
- O8 Q6 Z6 Z) E- t& u0 @   
5 ^" N. ?* B) ~! n# M" X  n# O' _
    3．4 编写TestBench

   

    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。
8 R) P5 p; C4 |' K7 N
9 [' C5 ~! R8 N8 r  Y   
' T# ?0 u- F/ a& M7 o% A
    以下是TestBeneh的核心代码：
8 r" \1 r% p5 _2 |  n) m* e- C! ?
- r. p3 a3 A9 r4 I% d    testprocess：process

& c- i! B! E: G: h+ ?1 B    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

0 l0 K/ v$ U0 h. i    inp”：一指定测试激励文件
; {9 g! D# U4 y6 Q' U' U* s! P* C
2 {5 }: R; H: K2 k* [    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

' t( o! f# G1 N/ u    一指定仿真结果输出文件
% _+ z/ N" K5 G7 y5 f
- v" z% ~- }2 H4 m6 y7 K! C    variable invecs，outvecs：line；

    variable good：boolean；
4 b. @; R" U# i2 Z
) r; J9 S  O* S/ N    variable eh：eharacter；
9 q. z; F1 d% s  ~+ v* I( N
    ……
' y, n$ {% Y. x8 h% M+ H
3 n8 v; J" i; V2 H( D6 p   

    while not endfile(veetor_file)loop
9 U; ]1 z2 D  @! q. J
% d  V4 n& A! k" V5 _$ W8 c' s    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
$ H, t5 r# ?( w2 S
9 I9 K% C" V0 l( y" i; U" M( k    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

# q1 {5 ^* g3 q' W, ~    read(invees，ch)； 一一读取空格
7 \6 e! Z' u" \- a) N, ^
7 D( w% f' A. E    ……

; _; d- F* N* i7 u/ u   

9 ?/ |8 ?: |" F6 X: E    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

4 k* ?, T. }+ ^% `    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……

   
7 w: ]: R% N( o' X0 ]
' s2 e5 Y1 ]/ v! M( L6 F6 h( P    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
, d' _% _: n1 D8 h: {, l5 ~7 @
    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

: o6 w6 M- ^* m! ]- X0 W% O3 g    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
7 a  Q" ?& u& `
    ……

. c8 g  w" S+ t  e* y   

6 F" r; H+ Y! k& I2 F    caseiis
+ E9 I& L& s: V/ _. k9 {% i& J" E
6 w9 G  Z1 p- b+ i    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
; J0 \- c  a, @, {) m
    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

- R) M. w2 M+ G( G# t  V' B    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
/ p! b( u# D' @( _6 p
, v5 P; m' M/ G& P/ c# y    when other8=>null；

9 \; x- Q2 @3 ~+ k% ?    end case；
1 {) ]6 |6 I9 \- i" s" m1 @
    write(outvees，string’(out_string))；
% I. \/ \! D* p: @* j1 H& Q1 p
3 f; m: W1 n# x% g( D    ……

   
$ j& R+ t/ \; `! ^9 ~) k
) _' N. P; B9 }4 O7 K    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   

0 K0 J# @3 F' |* G: ?3 Y5 K3 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。

   

1 {6 \+ F( h& G% [: Q   

: R& H$ j; ~- D' U* g. s& P   

   
1 S4 r" `' }; p: z6 U" j
    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。

   
' O" l; |6 z6 V