matlab

YShangJ

1 引言
- e  ]& O) b2 j9 m4 X; b; f
7 u; M% d4 y" c1 i   
* G- f- H! a6 H% F4 G/ `
    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。
3 z1 M2 x0 r6 R% ^7 g' `& {; q
   
* K* R1 W$ _* d& i  R. @
- D+ Z$ P4 z8 Q1 c8 U    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。
+ \# x8 F  P8 w0 z3 u* y
   

7 [- G& x- L: @    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

* K  a( g4 U$ `: p5 C   
4 Z' d$ Z& i6 c2 E8 z
    2．1 TEXTIO的功能

" w+ z! |6 [& s; [4 H   
' d+ j7 i7 f' c
- k7 I: c  B  u+ Z    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 _* O- X+ i+ f, E+ b5 C% a
   
: Y! A8 `! e# z  O4 J' F) c
+ [7 [& q5 e7 Y. m* x, d5 c+ C, f    TEXTIO提供的基本过程有：
) K; c) M, S: A
1 u! N# l! [: o4 G6 z5 A   
  c9 J# I0 E' v2 A$ l% {( n
    (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；
1 m8 f+ U, R$ ]# ]! y: v( H
    (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；
( b, b8 c, ?% v# l% b% R
0 N7 U( V. \4 Y; x    (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)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。
1 x. W' Z& a0 z' n. t" q
   

+ M' t( Q( ]4 u2 r4 k    2．2 仿真测试方案

8 e& m* x1 ~5 y$ d! g7 v   
3 X: r0 c2 @7 d7 c1 ^( Z
    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。
2 l& d- U1 k3 D
! Y) k7 L) I; K- G& G; H. L   

1 `2 O- _3 a* w   
. f; N% J% k: W  c+ D3 A
   

4 R9 q" e& f0 Q/ K    2．3 仿真测试步骤
; H5 C: h/ j0 P/ c
   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

( e) A+ M' d3 H  M; V   
% O0 s  l/ g0 [4 [8 w* f# ~$ S
    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。

( l( u- t, `( @4 V   

    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。
( p# {7 a3 u" b( b2 L, H+ \0 i/ P
) N& P" }% J# {. X. F9 }% l   

    2．3．2 编写TestBench

   
5 a& ~+ m' f+ r6 v
, U4 c& d  l+ x5 ^# H    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。

   
; g& r  Z; [6 K
    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

/ Q, Y2 ^+ k# s6 Z% m; {   

' N2 S8 w  i) N    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。

* g  a& h; X/ `  ?! i# G7 q8 Y   
7 p5 |: `) Z2 u/ O! F# c5 G- b
  v" V# n+ Y7 f& I2 m9 G    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。
+ @; i* H9 o# x( d
   
" ]$ H4 i9 H1 u3 |1 f8 t  W
0 T# `$ k  i- p8 f# k    3 仿真测试实例

) Q; u- q+ ?- K   

# f2 Q% U' i5 a6 r3 H" w& b5 o    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
% x* _: ^5 p/ U, ~$ P+ |2 I7 D1 N( [
4 c. o4 ^$ p2 M   
3 h+ E( E; |! M  D: \: e9 ~
" P# h( c7 j+ X  y6 B9 W9 J1 J" B9 j    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。
1 {% P6 f: L8 A( Q  |  B9 B
( H6 T) ^; T4 `2 f6 o   

' X9 @6 z9 t/ n: l( p9 V) Y+ i& ~    3．2 需要产生的测试信号及波形
5 {% l( G* l3 y+ G, @. V; `6 g3 @
   

: N; v  v+ c) A2 p6 J5 }    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。

) t9 g. U# U5 w/ E  U0 ~& w   

$ u) X9 r; d  @: ]# O( _   

! _$ F6 h7 o2 \' c2 t4 ]0 O    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。

   
% }( {( |; ?1 _4 B
: t# d# e4 p+ e$ e    3．3 测试信号的产生
8 D) U$ Y5 e" H) q2 t3 O$ X
! L" Y6 ~. I1 v3 e$ @9 v. s   

    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
7 F# o: d0 q# x5 Q4 w3 @
   

  Z& k( P1 W5 ?    以下是生成测试激励程序的核心代码：

    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

0 c0 k+ a' o! D9 I: l    [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
, I3 f0 F% J! `5 J$ j
    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

9 ~8 q2 T8 z1 b9 s9 k    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
* f: {" a) r3 o+ J* t7 o+ v
    HORTIME=64；％行正逆程总时间

0 |: L/ z" G4 G* [4 Q    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
+ l& Y, G6 h& z% \
/ X1 {0 j0 Z8 c/ J* Q    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

    荡器频率，图像X方向分辨率
6 Q7 }/ c" o5 Z8 V
    ……
7 `6 R7 _4 |7 U9 j
/ Y1 s# y% |) B: Q* i   

1 w& a1 o9 m" j( h    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

    for j=1：1：YN；
! Y* W, g( T% x! R$ l
  G4 x  m$ T2 M& X* c- E: t# m2 J    yy_j；xx=0；
0 ]! C( l4 g) m# k
    for i=l：1：HORTIME*FZ；

    ％产生行同步激励
4 D; J$ s" S8 N3 a
* }6 ]0 F. Q! c: {1 J    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

# e! z3 ]; S% o% |8 h& {    hsy=l；
6 K4 p. q$ ]# o& y
' R) f6 t" @; M$ x$ W8 w5 J; N$ y    else
4 h9 R/ Z3 ], {5 }0 z; ^. g: V3 e
    hsy=0；

    end；

! E" ?4 v2 j) _: D/ c0 l    ％产生像素时钟激励

3 z+ N# L6 |9 J0 W7 T6 {# s    if clk==1

    clk=0；

    else

    clk=l；
+ c& C2 g4 k/ Y# M: |9 i
0 U1 [6 V+ D+ |$ a    end；
$ d! ]# {4 K1 ^6 v- g# Q. @  y& `
3 `- [5 `  C% w: Z    ％产生CCD激励
" l0 }% A7 ^& V* Q' A! b6 s
    if i>NEGTIME*FZ

. l8 g8 P1 P3 N    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
7 Y2 y6 c! M& |3 c9 W
    ccd=round(image(yy，xx))；

    else
- c) T7 N/ P/ L  y9 W6 Y
7 ?$ B; K/ e$ ^# P/ A; H    ccd=0；
0 G* k4 \, u) J& @
0 r6 V; C% V; K9 S* @9 a    end；

& a4 u5 ~0 U  O9 s    ％将激励写入测试激励文件

, ^% q( W  b' b4 C4 W* G7 v    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
, U) a. r- d6 I/ Q) }
    end；
0 D! R3 S% }" r- p* f  M/ a
    end；

1 h% P% d* U" o    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

. J+ r; R6 w7 m! _5 y    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

5 k5 `5 l1 k9 g+ X    …
6 L2 f8 b& c) b. ]. Z7 F4 ?8 Q
   

$ O1 n4 i% S3 a3 k    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

' k) y8 D2 p* L    …

  L3 l, V4 B) o; h8 {   

    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。
& s, ?. }/ n" ]9 b
   
" E. f' l/ B4 i, @# a) H; Q7 O/ p
6 X* n0 `1 B. M+ y4 F3 {    3．4 编写TestBench
3 ^* q/ i  |4 c" b8 M! `& n; A
   
0 p: c7 G9 P7 V; `" v
    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。
7 t& J8 V! W1 D& a  T# ?  h$ n' P
) _' n" i2 w; i$ d   
4 P! p( {( X4 B' G! M
    以下是TestBeneh的核心代码：

2 a, W2 \* j) @    testprocess：process
8 F7 g4 G& z/ ?2 P; {' D
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

" ?8 a1 z( Q* E5 m/ _    inp”：一指定测试激励文件
( Y. V2 Z2 Q' _- I% i
  |9 g' B2 J. d# C6 Z" {7 m    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
  I- k* o2 y0 W3 R2 H9 q
, k1 x( R5 j1 g2 f    一指定仿真结果输出文件
) R' S8 D* `" e6 |# f* b/ W* `
$ h" B) C6 Y1 N( i. b1 v+ y9 W    variable invecs，outvecs：line；

% D1 _& ?$ ?5 E0 S5 F4 Z    variable good：boolean；

    variable eh：eharacter；
5 w( ^' G! ~  s; b$ ]
    ……

' b0 p; c+ W! z- S/ |" l   
8 y" Z, q/ \0 x/ ^! ^( L
9 b9 h" V! w. N  P1 \    while not endfile(veetor_file)loop

9 _: w0 x1 t3 ^, M+ e1 K& a    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
* J$ \7 w9 P5 R) |
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
) h# K- L* O- ]* D4 z& `- D$ E) O7 {
    read(invees，ch)； 一一读取空格
. T1 G/ L% u( ?' y
9 q+ \5 a$ V; Q5 ]5 P  P; b    ……
+ d7 b' z( ^7 W6 i+ C% D; u
% i' e0 j& s! @   
% i5 l: ?  i  V$ |8 q9 S7 w
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

% d* N) A) i8 @# o5 e    read(invecs，ch)； 一读取空格
6 |) @/ o$ C/ e# Y- {/ U+ G. `
* t2 K5 o* [, C/ d) G; h    ……

   
6 V3 K; H( k/ w/ G0 X+ n
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
; P- z# ]# G; C+ M. K$ @3 c
    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
+ C: w# J+ k! s! F
5 u9 d6 X, k! L% v6 y2 ~/ ~) ]    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
- h$ H+ y: k0 v5 n* e7 l' @9 Y/ J5 x
    ……

   
& `/ O" u; ~  ], P; _+ J
! E2 t" R% M& f5 N+ g    caseiis

    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
. ?1 S! V2 J3 n& p
    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
+ ~6 d+ |& X! Y% {& ~( N1 L
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
+ r  }/ {- f6 d" {+ y9 c
& g- J; z0 N# C- j$ m    when other8=>null；
4 V' W' m* E$ H. \
    end case；

: C+ q5 u4 G! M8 ?    write(outvees，string’(out_string))；

    ……

' C) I" U8 [7 Y$ R9 V' S8 r! G   

$ r2 t5 S: M/ Y5 k: c, H    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果
& D5 I& x. h2 w7 Y, t" k( q- `
, _* S8 ?: a. T   

    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。

3 F1 z  k. e- }, h* X5 i+ j5 k" D5 t   

0 o: N. D! x. j' D7 ?3 `   

7 E9 a7 U. @3 ~! Q' X& o3 C   

1 @  k5 T9 g; I* w, h0 j/ @   
$ L, @1 r& X' I% [
    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。

   
& M: L" @+ L, t# |