matlab

YShangJ

1 引言

   

    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。
1 U8 l. F+ }; u& R3 n  e. D
% i/ V9 A7 V& p( n* Y   
& z/ j( @) ^  O" J  }( t- s: B' G; C
    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。

   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

   
3 T' H. a/ Y- I  ?  D* X2 \7 L
    2．1 TEXTIO的功能
$ W' [3 O1 W8 T# X3 y
6 v' e; V4 a! C5 y   
( z  t. c( ?  ]8 W/ C' ~; Y
! x' U& A- d5 v- n$ 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)。
. z# B* Z/ Q/ e4 p
   

    TEXTIO提供的基本过程有：

   
; P* c% o7 k: z% l( ^
    (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；

5 [  D# C) ~7 Q8 C. }  O+ q1 W    (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；
+ w3 _5 `6 Q8 I/ N; h1 a
$ ?/ b: u+ R* T3 ]& S6 t& w; 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。

$ K% y3 w0 Z) U; S2 C0 O% G/ h0 O   

    2．2 仿真测试方案

8 r# n) l( b' ~  R   
: T' z7 B: R+ I/ a" C! U
    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。
& D$ B1 O" M0 l
1 p% W5 _8 r# |3 u( @   
7 E) Q9 A4 k% V4 m, \
   
- V9 z, x" c" s% s# l
5 ?# s3 l9 L( ?5 N& j: q  d   
" U7 l: P/ f% n' g+ y5 O
2 e5 _; s( h, W    2．3 仿真测试步骤
* x* f, [/ ~% Q, F7 P
  ]2 A9 t9 z& |: Z   
; Z) R) I/ |$ S4 P& A
% s1 S2 @; v9 R# d5 y5 v9 _$ l    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
2 p3 x2 Y- p) r6 P7 g
   

( @6 R2 z1 U# }9 V    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。

, j  m6 _2 t. Z   
- R* y6 J# X: u" V9 E
! H  m7 a, G" |! V7 g) _; W    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。

) o( V* L8 F+ ^9 l/ Y   

    2．3．2 编写TestBench

   

    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。

   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

) c) D" |- l- H4 ^9 _& `   
9 P4 ~. }& a/ _! i0 l
    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。

   

5 ~6 S0 w$ l( a+ [    2．3．4 结果分析

4 b0 o6 J! y" ?& c$ z2 P) m; b   

; U  U9 w6 z& |- u    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。

& j" g4 Q$ O: k- a- z   
- l4 Y* X" I' \+ ^$ e( ^
' u/ z- t/ G' |: t+ q' d- S    3 仿真测试实例

   
( z2 B+ K5 t( b8 g: O* ]5 a
5 s$ ~" t' A$ Z    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
/ N5 [) P# ^5 \  g0 ~
' }* d6 C* I/ o   
6 f+ b, j! e+ U4 S- v1 }
7 X/ U$ ]5 ?& |/ G, p0 ]    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。

7 y) ]  P8 X' i3 Y: K# O   

% V) Y, I* w. ]% d2 ?$ V0 q9 m- D    3．2 需要产生的测试信号及波形
7 P$ t7 H  w1 H1 _, k. ?
   
, r) ]% S; U% t! Q- d: `3 H
    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。
' ~* l1 R  y" f5 B" f0 }$ J: `
   
( P5 ]. A5 T" U/ F3 n
' z# q6 x' N2 U9 J+ h4 f) i   

    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 c( b* D" n- R   
) p) \2 e3 D* w- S
3 q! X) @8 m0 D( l/ W1 |  {    3．3 测试信号的产生

   
0 `$ X! Z% z( O# \2 [$ Q3 Q. u
    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
2 h0 b& \& B) X8 H. R2 V6 ?) m: y5 Y
   
! N/ C, k& i5 b
    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

2 T5 d" _% o' H, L6 q    [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
/ b( X  Y# n9 O' n/ V6 ?- I* A' c
' L# c' J( F% z2 l: r* P% n    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
; k8 U. k9 \5 G4 P, l) `) `
) S* W+ H7 C( t    HORTIME=64；％行正逆程总时间
" W) ~3 H* }' l2 ]" Y8 a" _
    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

) ~8 c8 n0 I7 ]( C5 g    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

    荡器频率，图像X方向分辨率
8 V& a+ {7 d* a& V0 ^$ R1 Y; M
8 y1 i4 B3 e5 k- }# G5 A    ……
$ D% j) `. a% Z: U6 w* P, z
   

0 Z* e* X; x1 ^5 D    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；

    for i=l：1：HORTIME*FZ；

    ％产生行同步激励

- }: J5 ?& z1 H0 k9 ^    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

: H! m4 e' A7 Y/ y# H6 m# V' F" |    hsy=l；
* |4 q( A, P' }: h, q$ T
    else
" M5 a* C8 @, |8 O' n4 T6 E! _5 R% G* D
8 L5 ]; X1 v" O4 W    hsy=0；

5 T6 P0 I* m1 C6 k" n, g    end；

$ ?( Z8 O! \( K5 i8 T( `) Y8 q    ％产生像素时钟激励

    if clk==1

& |4 N/ ?3 C6 ]0 p; \) b    clk=0；
& _9 G$ x8 j3 g
    else
4 j* T( }9 p5 ]3 `3 B$ X) F$ W
    clk=l；

    end；
9 H: v+ T, q5 S& [; t
    ％产生CCD激励
  M- F1 o7 R# D
    if i>NEGTIME*FZ
0 [. J7 p! o  M2 f) R1 k; x
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

- J" K9 O9 j+ b0 b3 @5 [' t    ccd=round(image(yy，xx))；

/ _' v' H. R8 |9 D/ @    else
6 \5 L  u9 R" m1 w
    ccd=0；
5 {, `3 G* o' h% O
    end；
% v' A, _% g: R8 F' ^  G' t
$ M/ c6 J0 P( p    ％将激励写入测试激励文件
0 ~/ J5 a3 r. ^
    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

    end；
. m1 z" v  P+ X
: g/ ?. A+ J' I    end；
: A- Z  W% a7 P; K) c' h
6 u3 k) Q& p6 j$ ?6 p* }  I    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
; u7 t2 M# P8 D4 Y4 @  A7 w
5 u4 J' R& K7 D; n    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
$ l5 ?' G- A6 H1 l: n0 B: X
* E/ w7 f* I' z1 u  R) y    …

/ ~' r$ L; u, v5 Y) v7 i& @) v" I   
( |1 l# m" X" M* ]/ ~6 H* F9 r; E
5 a* w7 J1 @# |* F( [. Z    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

# {7 H/ K+ |+ A    …

, o  Z4 S  Y% ^  e( M# j   
6 _; h7 E! z1 a) j. s& z% {
+ b$ e' k( R! N& 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。
( P4 ^5 ]* w4 b  l" V* t$ b* X* B4 q
" z! ~0 p# c0 ^- f; t   
: k: O7 d; J9 K5 Z
) `; ]& b- X* u, \! P. N! V    3．4 编写TestBench

. Z. p3 K* ?/ D( j+ k  {   

% Z+ {& p1 |! _4 e    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。

   

    以下是TestBeneh的核心代码：
: {0 V, m3 A2 X6 [, U
    testprocess：process
' n( b# N% \* p; u- E) P+ u; x
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

    inp”：一指定测试激励文件
# O0 v; z# P, w
) g( S) f1 E- g. K    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

    一指定仿真结果输出文件
' t! h' W; S& X5 }) \$ y
    variable invecs，outvecs：line；
1 ^/ r' z0 }# V1 N
9 R( G9 G; i, m+ }) Q0 X! @    variable good：boolean；

    variable eh：eharacter；

4 q" t% y' w" I# e; W9 m! ^" f+ b    ……
: s' D! a0 i- X# m. v1 N
/ K5 H5 K8 O  ^6 t" T8 M3 V' ?   
1 Z. L9 S" [6 g! I1 O' [
7 X5 \' q# I4 O3 P; m8 |    while not endfile(veetor_file)loop
$ O8 V6 |, }! R, C1 w2 a! L* w3 c
    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
+ _( y1 S  A8 N7 ^
) J1 b& k) x8 N, x# H    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
9 \6 \( r! H6 l
8 C) T* O  z& V    read(invees，ch)； 一一读取空格

    ……
, u3 L+ t. v0 i4 |8 ]/ l; f
9 u5 K1 c$ l* j9 ]& v   
) W4 |8 n0 t2 d3 ]
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
" n# o* Z, G7 O) Z+ v! O$ Z# J9 m
    read(invecs，ch)； 一读取空格
1 D0 T7 f  ?7 V
    ……
  ^( K9 A9 K. ]# f  l1 m6 [) `
& j7 I" y+ F9 C* ?( n# w/ ?   
2 q0 G/ k# d" M3 x' E1 ~
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

! q9 m) ]" ~3 O; B& M    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

8 d8 H' U( X2 [    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
1 d5 U7 [) n7 I8 k) u- Y
# Y; n- S. ^* Q' a0 L, ^4 P    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
9 q7 |. @! L# I7 K* t
    ……

   

0 c+ V# q- w' a, j4 T$ r/ k    caseiis

0 F  F' G$ j( k  n1 l    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

4 O5 J3 M# b# Y3 ?    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

  J. I$ z* x( s$ T6 K: P1 A    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
; x, [( [6 J. g) s) ^
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
' R2 @) k! P' {8 t& X9 [% u9 e5 a
    when other8=>null；

    end case；

4 |& q/ w: K# ]0 {    write(outvees，string’(out_string))；
8 z  {, Z# ]* B  E7 U
    ……
7 i: U0 r0 l7 `0 M8 q
6 v4 r/ p$ b7 |- x; E4 _   
/ C. _+ O3 _4 |% d+ b$ S
" v' W; T, m) s4 N/ A    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

9 l2 r7 z$ g) ^+ {8 N9 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。

/ e* Z1 I% L2 W9 {# X   
1 W' X1 i1 O9 b! J: h8 M
   
( A% o: t$ J; A+ W. ^
. w" q6 l: f' A+ y1 W   

   
/ Y0 U( u1 Z: @0 `4 u
- }1 Z6 ^7 Q# E. |    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。
8 @) ]0 S7 w3 I