matlab

YShangJ

1 引言
: `+ @/ G9 D! A% L
   

    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。
  @/ K* X$ w6 n; P% d
   

    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。

   
9 j# l- P- o" e9 o$ |
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
  w3 |- i% [" n3 V  @# s* ]
   
2 x9 q' I- o7 g/ {+ q: c7 u. R. G. L
    2．1 TEXTIO的功能

! U- K) W9 _6 u" {   
% [1 x1 k! C. V7 Q/ n  l( o
+ O  N  z. j. q+ ?0 n+ B! x8 p* \9 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)。

& K- c2 [; l: q, c1 I7 z   

$ p- \1 l9 Z5 l) h0 w& M: f$ }) o    TEXTIO提供的基本过程有：
0 I% Y2 S/ D( o6 d0 [, z. P
9 m" r3 `/ m) z# x$ k   
& h% j1 H2 }4 ^6 A! r0 ?5 b# n6 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；
, k7 s  l' x( O
    (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；

: L, X  _* ~; I% @4 |0 E- K2 s    (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；
& I1 U0 ]% p4 e
    (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。

   
/ J, h5 c7 [$ `! H5 g# U% k
8 |3 X, W: x) P5 j6 c8 }4 a; a    2．2 仿真测试方案

9 g% r3 c) @: u8 u   

% D* `+ y0 W6 h2 l. d+ Y8 S) 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。

   
' j5 b- ~, w, s0 ]( Z0 y+ G7 j- u  Y
   
& F. I/ o$ w/ n1 E
   
, N, c6 J+ l  i; E! m/ v; |6 P* }$ H* P
    2．3 仿真测试步骤
& L2 [/ U5 P9 T
1 n" ?. U- D1 S2 I  B# X   
$ {" T, o6 z7 y
    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
3 _$ @7 i% _* u
   

) W! ?% {3 g4 q, w; z4 b    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。
/ T5 b9 ~: F+ _" j6 X) K6 U
   

    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。
0 B0 `6 e; N7 d: A2 I$ `
- C/ d, N/ N* y9 e) c6 Y% c   
# Z+ \9 I; ]" M1 J) U
; l1 H* s! t/ Z. F    2．3．2 编写TestBench
$ X& ]7 f& r) s  ^; P& W! C" T
   
- |  }+ m" _3 @2 C
    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。

   
( |0 g) W: w# d) k" c
' x- c0 ^$ U7 ]    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
- ~8 S) X4 E( O- M
   
: |4 E2 X- Q" j- P. J" [  S
' X6 _0 I$ Q, w* F' W6 ?    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。

   

. A4 U' b$ J; ?# r, P2 F6 |    2．3．4 结果分析

   
+ p  ]  E% H' t: H
    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。
6 u. b+ j5 h: ^' w
2 V1 M/ b( ?$ f4 `- s  z( g   

    3 仿真测试实例

   

- ~$ t0 J6 f1 f# i5 g    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
7 c  y# _  p: i$ p: S6 G* s+ y
   

8 I8 u# v, _2 Y7 V. }$ a! O    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。
. i! D8 I/ J8 ~7 C& H( c
9 I1 A, V, c9 g! j1 ^   
2 V: H. Q4 y  U% F+ M& D/ \( M4 o
    3．2 需要产生的测试信号及波形
% s# `# k3 v# O, G! y7 a( H" B$ W- e1 G
   
# N) q9 l( x* ]
0 o' L" X; n  t1 @8 f" Q+ \, k, s4 M    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。

   

   

    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。
' G0 n9 q9 p; e0 ]
' Y  b0 D% x! v) j8 p- G7 i   

    3．3 测试信号的产生

   
  J+ m) N, @. U5 d9 k; x- O6 L
    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
/ \) K7 _8 b  V+ I
9 f' [5 R: \7 V7 P   

8 E* J. G1 e, B8 I. m    以下是生成测试激励程序的核心代码：
) `& w& l4 J2 a9 v2 q
    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)
& S1 G' K! R2 O& L+ n& a; n+ _
    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

3 V9 }& x6 j, u  Z& u6 A) t" Q  ]    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

1 c; `" N& j! `4 w9 e/ a2 S4 x    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
$ o% m0 ^4 l0 ^' v( Y
, [3 M1 l+ T. i0 {# h    HORTIME=64；％行正逆程总时间

7 Y3 `+ p: R1 Q6 ]3 d, j$ K    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
" c+ a# W4 l8 v& o% x5 Y
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

    荡器频率，图像X方向分辨率

    ……

; k# h" U) y+ |  r4 R   
6 }/ f; r0 S" z! Q
1 e/ d( ?( x- d" `6 z& j& X/ ^* D    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

' R1 h2 F6 z' H2 I    for j=1：1：YN；
- u# E0 f! q' C! P* @0 R  Q
9 ^4 ]0 x' \  a2 V    yy_j；xx=0；

    for i=l：1：HORTIME*FZ；
2 e9 ?9 \  c6 n
    ％产生行同步激励
1 `) j6 L) a9 c; z; o; f: e
' i. G. {# x6 ~; h# Q    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
" g8 ?' ~  Y$ Z$ C
    hsy=l；

6 K' s/ B" _( @, }    else
% u2 t( u6 K- [' |8 R+ ~
; V* W  j' ^5 P1 @" ^    hsy=0；

    end；

    ％产生像素时钟激励

. A1 L. t% l% p4 t0 Q( R    if clk==1

; K$ i( N" x' e* V( y* g    clk=0；
1 I. {1 n6 z5 p1 H: b
& @" {* T! e+ I    else
, n2 Z& S/ }% h2 }2 v5 f
9 ^' F$ ^8 Q& }. X5 `. K  M* v    clk=l；

    end；
; k2 s, J8 r" y. Z* m6 E. Q
2 L3 G9 c6 K7 o( ?7 o    ％产生CCD激励

    if i>NEGTIME*FZ
4 [" Z- `8 L# _
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
6 t7 w& F9 P! \/ G! {& V1 z7 S5 f
( \9 f( K& q; S3 w7 ~: x: w    ccd=round(image(yy，xx))；
5 F5 I% i2 Y5 M6 ]
    else
+ @: Y9 x  r' m
    ccd=0；
7 {8 U( E. M0 x# h8 V" z
; m  c$ P; Y9 Q7 X8 {    end；

6 s' v4 [6 R2 i1 z; r' `0 Y    ％将激励写入测试激励文件
" o1 _( C! {4 O: i: {
    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

    end；
- l4 f9 Z7 n$ E$ s$ D
    end；
: q! A* _( c4 s1 W) H; L0 x, 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：
8 |' c, E+ o) ^8 B1 l
    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
# J. {* d2 X* I: d7 _) j
1 O% ]1 u( _3 w/ I% o    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
. r. a% ^6 [  x3 q( K
; Q' v0 m8 [0 P5 [6 M$ M3 M    …

   

$ j6 g7 `) y! B1 g, [7 i    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

1 ?+ R" n4 ~4 W; y6 m    …

& `' Y. |7 d+ l4 T( }# [/ V   

    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。
/ g% n  _7 A. w, }! X8 V$ F
   

' X: Y+ u2 \  ^    3．4 编写TestBench

   
7 i/ ^% M0 @6 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。
! L. }# s9 A4 a1 K6 x; A+ `
   

# I9 S$ X9 Q$ Y    以下是TestBeneh的核心代码：
3 k% Q% X1 n. U5 L* R) p
    testprocess：process

    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

5 H& [2 [+ ~4 j    inp”：一指定测试激励文件

    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
- n1 e; L' ^/ g6 n% l
8 X) X" o& h4 i0 [4 \+ h    一指定仿真结果输出文件
# K6 |7 V: j0 O& i1 v7 c. q
9 A% z- D( A  d    variable invecs，outvecs：line；
6 r  B  V8 F9 I* I& ?2 q
    variable good：boolean；

! ?3 m, F, W, A8 |5 V    variable eh：eharacter；
  x4 B4 t) B1 n* J9 M* Z
    ……

   
& M2 N) ^; H( s. x4 M: W. H
8 _  `7 m3 C- J8 \4 e    while not endfile(veetor_file)loop
- c& h, o" A$ B+ O
    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
( s2 P7 E4 D) }- A, Y
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
% K6 }& ~7 ~+ e# @6 N% y* e7 S
& s  C9 ?- `, A# m. C3 p    read(invees，ch)； 一一读取空格
: }: \% H7 G8 V: _: u
' `$ s" q9 I% x; N% a3 K    ……
) A+ ^: `, W9 G5 t' X
   
' o! ^0 q  ]1 ^& _
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
( S# _; B4 H  m
    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……

% s1 ^0 h4 q5 }1 S" ^. V/ p   

    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% y7 W# s& d- e  f
: {  K; \# v/ g7 f' y  D2 \) U    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
5 q) y8 k1 Q) U: m. N8 _! L
7 W( }8 Z+ U8 E( C, i+ T/ i    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

    ……
! p6 W. J! L$ g7 _' f, T
   
, v- L7 T/ X& O2 E, o
! f" v- Z& Z5 y5 `0 F0 F. z    caseiis
+ w* o" F% Q6 r( Q5 P
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
8 O2 e. [/ \% J# b) D
    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
4 n4 M  h4 {( n0 h8 f
: n' u% {7 k  r    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

2 B  A. o+ F7 {& ^) C$ ]) ~    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

# }' z9 A# I! q; {0 U& T3 `" A' V    when other8=>null；
; a5 [) V/ J& d$ ?& G
- O: u) [/ `, c3 P" k5 K& ]# {    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；

    ……
, F9 `+ ^6 z# E) Y
1 l# J. f+ _, Y2 F   
( B3 ]5 X- ~* X! C0 N
# D. _  c; n* V0 E" d    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果
  Z4 K% y- f; ]2 d- {9 ?( ^& l9 S
   

) e1 t: K+ `; Z7 n. x9 r    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。
6 e6 Y% b+ s7 `% T) I" X
. c' [' j: X1 I4 x6 ?! L& D   
( a% J. z/ w+ ^3 q1 _4 c  K6 |) ?
9 Q' B" ~- T# L- V8 a) f: s0 _6 t   
9 ]6 r* h3 L- r) g* G
   

0 o5 {7 I- Z0 Q% C  B4 Q- ~   
5 G7 A2 ?1 [6 f
    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。

   
4 A2 h, \8 w# |( p7 J* P& u8 m