matlab

YShangJ

1 引言
5 W0 d  B+ b7 ?
3 c( U. X9 X. m' ?$ [1 y. E: Z   
6 b( z9 j+ P. j+ c9 G  m. {8 E( f* Y
5 l2 q5 ^) g& T3 K6 t# X    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。

6 X+ k+ b& D; f- R   

    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。
# f" F9 t3 b  v! {: ?
% ~& I$ L9 U, K' e   
  Y& Q0 g* Q7 X" }) Q: h
& l7 V& k" p: |, F3 M    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

6 M, t& V# k; B/ g7 P' [   
- |  T8 }& U' ]2 U$ b$ v$ t
    2．1 TEXTIO的功能
; e2 N  D6 `" @
   
: @4 O# U+ a8 y( ^7 K5 R) p
) m+ ?5 \6 }/ d+ D    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)。

1 Q/ V! _0 @1 I8 `0 \" r   

* B4 H$ f) _# p" @    TEXTIO提供的基本过程有：
3 T, z( ^, M# O
9 E  Q$ @4 m, _! b  `5 |" H! S   
* ?5 Y; ^) q  q- }4 [
4 c) H# N  E' s; U    (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；
, z. R$ r! q  o- N5 r! w+ k% e4 t
9 m6 k4 H6 Q  a3 B; ^    (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；

% g8 [2 I1 w1 N( B) Y    (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；

% K! W+ ~! I! P' f6 n5 L    (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。
! C2 {8 y' p( H7 ]8 `7 }3 h
7 M( s1 L- L& p$ E1 E9 ~0 W" c   

    2．2 仿真测试方案
: V1 [# O% L( E; I
   

& P2 m. @% q7 q/ @- x# O    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。

* S% Q& a- n9 o" V9 ^3 r, f8 R   

   

   

    2．3 仿真测试步骤
$ b# s# }" T% c7 l; g2 C7 `8 J
   
/ k; L) O2 H8 L  e5 K1 N
! E# Z, `/ F# j: a5 r! R    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

( q5 L1 Y) R: O& e   

  |) Q4 k, `, 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。

7 d/ C1 f! K& i   

    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。

+ X% o+ @* B5 D  ?- `   
2 h0 h6 R# [  a1 ~  N, o
    2．3．2 编写TestBench
  N8 I3 g4 O! e0 ?7 P
* L8 k) P7 x: c) i. J2 F$ b6 b' @3 R   
0 `0 X* b* @" T% i
  g/ ?$ j1 |" k9 I1 E8 }, {+ 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。
% r! ~( Y5 ?+ v: [. C: h+ s
   
* t! B$ q0 x1 T: P1 l
    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

   
3 h3 O! s, H/ p; C# n
7 n9 T; g- {7 D  {% x1 A. `    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。

   
0 A3 B8 H" z9 h; b: R9 ]
6 b% M# |( e) c  c* Y' a# L    2．3．4 结果分析

( f' O( m8 h8 j4 x   

    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。

   

) F" G( _+ X) A5 m& L2 Q0 w    3 仿真测试实例

   
1 y  x; P: O6 @, m2 c
- |$ s/ j9 R* F- F$ M" T    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

5 x' a5 B/ R# n* h   

; V, l8 q9 x) x. \" ]( B    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。

   
+ W) k# {7 n* g
    3．2 需要产生的测试信号及波形

3 b7 E( `: t: {; m4 L" i% n' g   

. z; P7 i) _+ I% k9 H- s( z& [" b    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。
6 E7 ]2 B- g! ^+ I6 y9 N* B* P
( P% q9 d6 `4 L4 _- `   

   
1 o3 C/ R( L" R3 b
    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。
" J. Q2 F4 I1 [" z( H  f7 _* _0 `: O
   

# K. {: c( }1 c. i2 x    3．3 测试信号的产生

   

  x) _' k; h% v7 A3 D    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
2 |8 ^1 w1 e3 i4 f
   
. m: w6 ^) T8 q6 I
    以下是生成测试激励程序的核心代码：
9 l3 s. v( O1 M* y6 T; d
% H5 N! P/ j/ [  E; D    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

, Q# F/ ?8 U7 f    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
  C6 H+ D* P! i2 |. R$ V
% q( a2 K( O% t( ?. R    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

3 ]$ [2 q# O6 V, M    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

9 X# O- ]( r7 U) a3 A/ Y1 l    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
, D, J7 _2 V# @: ~' x
    HORTIME=64；％行正逆程总时间
: t/ g$ Z5 C& ?- \! Z
0 U2 `+ Q  a9 q/ H) n8 [  L    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
3 `6 g( k. u7 y8 ?- Z
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

7 a4 ^7 Y2 H) n! d; ]' {4 G    荡器频率，图像X方向分辨率
9 }, m0 Y" q  k5 b4 C/ _: J2 U4 w- U
+ R! f6 d+ |  e8 g    ……
7 h6 v6 M$ }: u6 X) q) L
   
- T& S7 m, Y; K
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称
- p# H! N. m" C; r9 Z
) x( ~) ^; q! }+ G; P/ [    for j=1：1：YN；
5 h9 t; }: k( h1 Q9 u
9 S0 [: j2 }& j: |2 X# P) y: x    yy_j；xx=0；

! l: H$ S) [4 [    for i=l：1：HORTIME*FZ；

7 ]2 ?" {' K# c5 }( r' h9 {    ％产生行同步激励
! ^6 G6 f& A2 W& K4 n1 x) a
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
# w! \& E# K0 Q& Y6 u1 X
    hsy=l；

! Q- D# ]% m, a) Y+ ]* S1 \) H" x    else
5 E6 a( \9 P8 `! o) A1 z
& l7 t  @3 Z- L) E) P; b! g; c1 a    hsy=0；
# c# d- M8 _0 v& ^1 q
    end；

' W" n. D: m. D$ V  n& A) t    ％产生像素时钟激励
! n; w/ |0 W( }% F
    if clk==1
0 P2 k) i9 e% r# K$ K+ Z+ n
. r3 G, A. Y+ u    clk=0；

/ x! i0 V% @8 y, L% ?& J    else
+ \; q% m# x; @7 J* c
    clk=l；
# n+ d+ b! i6 ^1 z: [
9 i4 ^9 C7 S9 c9 W    end；
2 {, ~  F! g6 ^) `2 E9 }
    ％产生CCD激励
6 S5 ^6 ~( p& L- V5 E
    if i>NEGTIME*FZ

# z" P  O' P' y7 c: z    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

    ccd=round(image(yy，xx))；

# h; [' D( ]: t5 e4 [2 B6 a! \' ]1 U% S    else
8 S0 {, G0 g  {$ |/ q
    ccd=0；

    end；

    ％将激励写入测试激励文件

6 D- J4 K2 @4 ~+ s' z3 u# T    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

    end；

4 f7 L5 e/ d: Y( Y$ P    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：

    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
' C2 C- E* m# D4 A
" {+ v- w8 N9 {9 d    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

1 F$ S1 @; q! U7 g    …
* R9 G& [: E' w* e6 b  C
9 D5 X% \& ]& \: G- V   

: ?5 L3 r7 t  w/ _$ U- K4 \    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
1 y/ @- R4 e' [, G& v
9 [; n% Y, {( T    …
, U( q1 m! \& a$ k9 j( g" S
   
5 E% R- N8 q# b9 R+ q3 C
    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。
; j& D/ z* J) K* J# i2 ~- n, l# ]
   
9 g5 V: v; P/ Y1 b/ ?
    3．4 编写TestBench

   
. e: [6 C. z: ^8 m3 O
    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。
* P! Z/ v6 [. C% N0 p4 `  d
- A' L- f& `7 [6 t   
9 m! n6 o4 k* @
8 P. B" t1 [2 L- y    以下是TestBeneh的核心代码：

    testprocess：process
7 ]: n; b; q- W: V+ T( Q! X* S
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

    inp”：一指定测试激励文件
& T. v1 r# N; G7 M/ v5 I
    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

    一指定仿真结果输出文件

3 z  T7 ?5 `+ U" @1 G7 D    variable invecs，outvecs：line；

    variable good：boolean；

    variable eh：eharacter；

    ……

) I" n9 Z  h3 B- i   
0 L7 J2 |4 ^( b4 \) X
    while not endfile(veetor_file)loop
3 d" r/ v0 K- [: S8 |# T- j
. W; y7 _" G; u    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
# b3 q7 E+ z8 D
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

  @+ b' S+ o6 f- p+ V/ t. S    read(invees，ch)； 一一读取空格

    ……

   

6 U: j2 q  F7 T# ?1 Z    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
! H& D$ f7 Y: o5 e2 T
& m" ?1 L+ R0 X$ h9 N) \    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……

) U+ K9 z. ?  |7 u   
) Q) u; p# z9 S& r, _
5 a1 u9 u( F# x    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

, x& u& ~5 ^3 X; W4 k$ R    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
9 R& W: J! ]  c& b7 w0 s+ X
    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy

    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
9 Q- ^" b' s8 x% D7 k1 O
' X0 s5 z# i0 l0 c  |5 h$ A: [    ……

& ~. J5 U% a0 p' U5 J. ~   
) ?& P2 F& z4 }, Q/ z
# t0 e/ z1 K( K    caseiis
, \/ H8 {7 ~  J5 o- e) {/ L# _
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

0 U+ {- v) }: e2 D9 ~- Q1 `7 `    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
4 d; e# L1 s. ~* W
    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

/ A7 F7 f- d. H4 I/ i" W    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
7 F* C5 k) {: ~* r+ y9 D3 g
3 T: [" }( W' C1 o8 z  ?    when other8=>null；

    end case；

& X$ x: R( @5 Z* o* w( S    write(outvees，string’(out_string))；

0 O  m$ ?, g7 L9 Z5 G    ……
2 k7 {6 u% Q; _3 o3 ^
   

) a) n' r) i1 p5 F    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果
; J  p8 D5 z( U% q6 _2 k
   
3 ?2 l: _+ L5 X7 u. Y7 u% `
    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。
. A: s8 b4 i) d6 F+ {9 b: B6 Q' v
9 y' `2 u! o2 G" k   

   
  q3 K6 B3 t7 Z# r
   

   
  |* L+ p9 I6 Z& @& _
% B% [8 }3 }, l" u( _8 n    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。