matlab

YShangJ

1 引言

   
& p$ Z7 D7 I7 E) ]2 F
* P5 b. ^  ~( F( g( M2 o    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。

4 {. y/ V( L0 P! p3 Z   

* x6 Z% U8 h5 G* c. Z. 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。
, o8 B& [3 ]7 _& a3 g2 b) i
   
6 K- D. @) p$ Q6 {8 h0 D
( f0 ^6 K! e5 N/ ]    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

   
2 F) Z& M! M% k! H( f
    2．1 TEXTIO的功能

   
4 w! Z5 O- A: S& g: n
    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)。

   
* B8 k/ s% }3 ^/ O
    TEXTIO提供的基本过程有：

2 z( m* e1 E# Q6 U- W* u   

! U2 M1 t+ U0 F3 x5 b' F- d# ~    (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 G* D8 U6 S& X5 O) g
    (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。
  d' N+ ?# r- T1 N: d4 N, X" |
/ W; f% v8 S: e8 P. B' o4 C) A* u   

    2．2 仿真测试方案

   
0 s% o; O  h% |$ o8 K6 Y
% }2 u& p7 a. r: 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。
& N8 l" c8 }+ A9 x% R
   

   

   
; j; A5 H& Y  k% m7 A1 y
( I. y$ t) N# N% o8 H9 Q5 V& ?* c    2．3 仿真测试步骤

   

- `* j/ j# e" h0 E8 j4 V3 U  f5 W4 D    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

2 f1 o8 J+ ]) m, q7 b3 z8 x; L   

    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。
6 J2 U& D$ Q3 V( o0 U
3 `3 s3 K: W9 I- |, |   

, u( t. r# O+ r% G- F) C+ K% a    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。
* A9 r3 j& w) w% \3 c" q* r
   

    2．3．2 编写TestBench

% d5 {7 H! y) b5 h& H   
' {5 Z0 \2 h2 R) S7 U9 s
( U# ~) p- v# J    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。
* \. @4 I& N# ~5 L0 p
- O! C# E2 \; u' e5 b( U   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
! {8 G3 ^4 I3 o
   
2 X' L7 e, a: W7 l! B! i6 K
0 `  o. N4 h4 ?4 s, s  E    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。

   
" e3 j( D4 D7 d/ t$ T
' \3 @  H! T$ u. B    2．3．4 结果分析
3 R0 l  e. q. ~7 L! K- K. |( G
   

# P& v4 s5 p% |* f5 R1 V    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。
' T, l! x! o# M7 o; K. _; _: s% o2 [
9 @' }9 y7 W9 h3 B   
2 s4 p; Y- N9 V# T
    3 仿真测试实例
) H6 }) @( c" n  B- S% I+ J
& R+ g8 Q, H; }4 e& v' u9 y4 x   
  ]- E) g) s: N! V+ E& G4 C
1 r1 Y$ E' n5 ^2 h( U2 A4 Q% X% h    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
$ E6 s: o3 c# ~" C$ T
$ |3 K0 K" }0 p   

    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。

   

4 p# \2 j9 E( `$ `: C    3．2 需要产生的测试信号及波形

   

    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。
) s4 g6 h/ W; X8 Y
# x! S) ?2 S9 W* T. c   

    3．3 测试信号的产生
5 C' H! m, \" D% d3 }. y& @
0 P& i# {7 Q# J8 N' A* s' D( V   

    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   
' |6 C& K% J2 `  ~& Q
' i+ w7 Q* n( r- k/ m5 ?! S    以下是生成测试激励程序的核心代码：
; L0 ]$ I6 v; j
    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

7 Q; e& S. l' g    [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

/ y! |. Z1 J5 N+ t' }" C    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
! g( i3 }& H4 y, d" U0 g
' q6 ~( P* _* m+ Z% `    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

    HORTIME=64；％行正逆程总时间

/ F. Q4 ]% K' A  W; K, ?; a    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
7 T/ w0 Q" H6 Z! L* F+ o. r$ [: n6 K
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

    荡器频率，图像X方向分辨率
4 @4 b) }; ~4 B+ A/ U% z
    ……

   

+ S' c3 ^1 A  s9 q% d0 k6 ^6 f    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称
+ j( E' r; U7 {" l! U1 I. S
4 t1 ?, t, y' s# N% M5 p9 t    for j=1：1：YN；
8 d& T" R6 i( o3 i3 @, W& {
/ e/ [* z; I6 ?5 S    yy_j；xx=0；

8 _. x2 [9 Y# b0 m) T    for i=l：1：HORTIME*FZ；
3 O9 O; v; ]! Y( N+ x( ]& }9 f
    ％产生行同步激励

    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
' d6 d3 W% i' C6 j: d$ X+ u
    hsy=l；

& N9 }8 n# Z7 i6 e7 F+ a3 K    else

    hsy=0；

6 W. y7 J2 x, x  X1 ]    end；

, y0 _6 p/ n( z0 W8 ^% Z8 |/ q    ％产生像素时钟激励
8 b2 c  R  d. h6 h6 Y' J6 c
0 ~) A8 G! G6 W8 ~/ x    if clk==1
; B6 G  P, E, c& p7 ]
    clk=0；
4 E  A% x3 z* E' U6 ~* E
! C, s8 M1 U- d0 I5 T    else

    clk=l；
! H) q8 T, \7 T& O
3 f8 o# N0 j8 U& u( X) A4 e1 l    end；
2 U8 ~3 z  b/ s/ \! ~- O% L
& c8 H1 K/ Q% r* }- J  X6 E+ s    ％产生CCD激励
# I* F6 p1 T, }, G8 m
    if i>NEGTIME*FZ

    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
" t. S2 s6 Q! T2 Z. y
( F8 t& i) W" p2 k    ccd=round(image(yy，xx))；

    else
" D2 y; N3 i" s  a
    ccd=0；
" r, P( h$ {$ p) \( }
; L0 @; P& V) j& f# Q    end；
0 y! ]$ h% D4 M  }0 ^$ ]* ]
2 q2 S4 D5 |6 j4 R; U- Q0 {    ％将激励写入测试激励文件

9 @& W* o$ u0 ]2 k+ a& u    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

0 B1 y1 \4 I8 y" U! v' K    end；
) E0 V5 e4 G) y; b, Y1 C, ^
    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：
/ K& G7 `& Q2 n# c" f
  @  g% r% w9 U2 C) K# e; s/ {8 {    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

4 Q9 M  i6 N8 ?; F- \$ r    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

7 E& ^* N2 C2 [1 w8 z    …
* J8 D# Z) D% r) j8 }) e" J
' d( {: m( p1 {0 a7 C  e  S   
3 _* i2 Y/ _6 U! a# A
    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

* y3 ?& F! r! F9 [. t& J5 y    …
9 Y% W9 E* z6 b/ d
1 h+ N8 H- d+ @4 W   
/ m5 I( T4 V1 M. 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。

   

# K/ p$ _2 Y" N$ v& C" Z    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。
& ~) S6 a6 V' t0 C& K( W
   
2 ~- o% r; _, n' I
/ s, Z6 p( h* Q1 Y1 M    以下是TestBeneh的核心代码：
; Q: X8 N" N9 i
    testprocess：process
7 [5 w8 }$ W( [% Y7 a5 s6 i7 g
/ O$ ?/ Q5 E2 f2 T6 v    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

/ m. K( P* p5 Y3 C' M# M0 [    inp”：一指定测试激励文件

* U2 ]& M( V6 Y5 R1 U    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

' A6 y- q" W1 F/ P+ f8 Z, R( _    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；

4 _2 s5 T+ d/ c% h. ]    variable good：boolean；

    variable eh：eharacter；

    ……
- Q8 [* I; o0 c6 I5 }
   

    while not endfile(veetor_file)loop
$ B2 [9 O% k/ q4 c7 T2 R+ F+ m
    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
% Y0 l8 O6 P2 e  R
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

5 o) ]$ r' b, k8 J4 c    read(invees，ch)； 一一读取空格
1 L; `2 L- n( \- k+ j
    ……

   

4 V0 y' i5 F4 S5 q% N/ Q4 u    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
+ m' D- P7 W/ Y4 R; s
    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……

- p4 f( {( f; K4 w, v1 b+ @, j0 n- q   
9 v6 K4 @% Z5 @1 S) p# R" y" R
# ?1 K4 q2 ~9 a8 a    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

" @2 Z$ T; M% N5 P3 ]    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

8 P" P% f# Z0 I9 N. Q    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
. U: v) |) X2 ]5 g# ^& f/ {- R9 y& {7 C
    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

  f( `. k# u6 T    ……

6 i; ~. B8 S  z7 u& {# D   
: g" W6 M0 C$ z# b
    caseiis
" N- t( u" n/ N7 G$ h" x
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

0 E* A0 ]) }" o; I    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

) A: K* b$ M6 R0 f6 L$ |4 o    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
! |. I1 [7 l- e# p  N; h
- \6 v8 j' g: h8 @/ Y! S1 q" T8 z' @    when other8=>null；
6 d$ E/ @$ w' h1 H5 U0 y
0 G* A! s. [5 Z( B    end case；

0 v9 R  _. Y6 a, y& J! A    write(outvees，string’(out_string))；

5 Z& J; h5 x4 y( [) n8 d    ……

' U) `9 t$ ^1 y3 I+ ^+ [4 ]   

5 g( g3 O" Q( p2 G6 X    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   
4 q* `& S5 R$ _1 `) f- {3 H1 g, N. Y# p
    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 D7 A' }2 D7 q1 t
   

   

   

   
0 G3 Q; K' `$ Z- o$ p
6 k2 }* g3 M& F+ s; `1 A' K; L- L- Z/ A    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。
) q8 G7 X/ B) h& C
* k1 M7 I8 a# P. Y   
# _: ^9 ?. p( D* n