matlab

YShangJ

1 引言

+ r: V3 ?( {5 [8 ^! Z+ w   
) B- u1 W4 r% r- [5 p
    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。

+ }: f7 A& r* ^5 t- g   

    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。
% z# r9 X& ?  {& B3 Q6 n
/ {% x2 b8 p' G, m0 H  ]8 t   
/ ~" E' s, S- y! p
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

6 p. K$ B7 x6 u* m! z6 X7 w' A   

    2．1 TEXTIO的功能
# e+ w" }1 [5 d
   

2 v* u" e  N* N2 B5 l' |# r    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)。

% m) F/ p9 H& H' ~0 J, Z   

& p) `0 F7 q% }0 u    TEXTIO提供的基本过程有：

   
4 ~% ?8 G0 W) m! g, R; s+ k' f/ T5 F! _
  l3 B! P" G3 Y* x1 a* Q* H    (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& K/ ~. _. f! W# F" Z2 b$ F
5 G8 _- X' J. x2 ]3 G" ?! `    (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；

; }- Z( P: `" G4 o9 Q: U    (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。

   

: Q3 D& ?9 Q3 V5 r3 A1 n  l    2．2 仿真测试方案
/ K" H: X+ i2 r+ R  ~- ?
& n- M2 P  W2 Y2 x1 `' P   

; C& T5 A1 @2 l" r) ?    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。
! \/ T% L0 u2 A) i
! H& B: R5 h1 ~7 M7 ~4 D   
8 \5 |' e# `- x- i/ l" w- b
1 h0 d- d+ p" g) j   
2 p( O# y3 b: P7 |  |" m" L
5 E; E+ D1 i1 I( g* b   

    2．3 仿真测试步骤
/ T# S$ K% Z; x+ }5 K% `* K3 P
, e& M; e0 ~3 Y% Y. \' h1 u: C4 G1 f   

6 b) L" c7 ?: P7 b, K    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

   

* f; r" b' B' |2 B" p8 R    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。
% h4 E4 ~8 C( U" l' U9 m
1 U0 p( l& H9 D' o- o+ k) ]- d   

    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。

4 U* R7 [. n3 {7 B   
' d+ t7 G* y2 n, L, t. G
: c3 R* g0 I: p2 Y4 H    2．3．2 编写TestBench
- k1 `6 k, B0 u, o$ p! O- s
& i6 p3 A' M' h, _: C0 }% l; ]   
! J/ L7 n. n$ _$ v4 X; }! c4 z0 B4 m
    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。
; w, s! c, ]; S9 @, s$ d- g( L
   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

1 g: V0 z' r$ W" f   

    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。

   
7 d9 L3 _; T2 R+ C* C+ @
    2．3．4 结果分析

; ]9 f. R% Y. ]  Z$ L   

    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。
! Z( R; }$ s+ y7 r6 Y
- F0 {1 q6 A0 J   

    3 仿真测试实例
8 r' T) X3 I2 K+ o
1 h- d1 h; h( a, x. N, K# I, n   

    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

, Y, d' [! C) G; P+ I, b( U6 k   
) S4 i" \6 @) @5 O2 p" z
    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。

   

    3．2 需要产生的测试信号及波形
, a6 B2 ?8 Q5 F3 [6 d6 x
& E2 e( g8 ]" s" ~   
6 R5 D. h: x, h9 ?
9 G: A- o( y) U, U+ @    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。
: @% I9 V0 n/ A) L. I; T$ o
# h+ A7 x+ U* d' [0 l7 h+ {8 H   

! |! H* n6 f+ @6 p7 U   
, Q( s1 T8 {8 F  J
$ y" C/ V8 _" |2 f1 l6 D, ?, b  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。
- A3 |2 w# w8 p$ t1 }( d
' e$ b" o) X% ~4 t7 E2 {( @: ]   

    3．3 测试信号的产生

   

    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   

$ C3 J7 t+ F6 s% |# I7 h    以下是生成测试激励程序的核心代码：

5 Q/ O" ]: i6 d6 ]: i' {) ]$ E    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件
. A) F/ w8 W6 o' g3 N# W
6 V" d+ h  E! c    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

, a2 ^; k2 `1 D+ [6 w5 ]    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
* P- z$ Q) S1 ?2 {  g: ~$ Q( {+ o
    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

3 S, g) t1 W+ d8 @) o    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

3 s) [/ S& \4 z" [' f" P; ?; c    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
% N+ X$ k6 T! B0 Z5 Z- |6 t8 f
4 I8 R9 v9 G7 G9 O$ e* D! q8 [    HORTIME=64；％行正逆程总时间

) D3 z8 A0 G' w) f5 ~4 c5 r    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

& D# }, U  o3 @6 H# Z' k5 N4 n    荡器频率，图像X方向分辨率

# l7 B) ]5 m' X    ……

   

    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

    for j=1：1：YN；

' Z, s9 \/ `) R- F' M    yy_j；xx=0；
( C# \, U6 e- U4 m+ ~% j/ f5 a8 {
: r6 A; _3 `! x3 {$ ]0 P' ~# i$ C    for i=l：1：HORTIME*FZ；

    ％产生行同步激励

    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

    hsy=l；
1 Y/ J) m! `2 J  h! d" v( O
' ~& g# a3 X; @) R% k    else

. }2 _$ k, A% I+ a1 [: j    hsy=0；
  B: N: T9 j/ T0 q/ H: Q
    end；

    ％产生像素时钟激励
: P3 ]- ~2 F( U- {: D# X
    if clk==1

    clk=0；
' Z# a# O9 r$ |1 N
" s3 v' ]: N, ?/ J  t    else

: L" x$ n6 |3 S  o4 l) V    clk=l；
, S; [0 X7 v3 z4 X, j! w2 X
% c1 Y1 {( B( S0 z* i/ L. g( E" h$ C    end；
' j& Y/ V5 E3 q
    ％产生CCD激励

  F- ?) ?0 X2 `% ^. s    if i>NEGTIME*FZ
- M9 d) b& h6 D/ @
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
% x, d+ L3 T  I( o* D- V
    ccd=round(image(yy，xx))；
; A5 ~, y3 q5 {2 l5 l4 N
0 r$ O0 x* R4 Z5 n8 C5 x  a" g9 c$ D    else

. T3 K0 \, F0 p7 C9 P    ccd=0；

  A6 A* i/ f4 c0 H- X    end；
# F/ ?+ n9 m9 Z6 g
/ ]2 W( B2 E# b. H) x' X    ％将激励写入测试激励文件

    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

1 L6 j: E6 H, S1 N& W- [    end；
2 X4 ~. w& w. g
    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：
7 G9 G7 v& s% i1 x8 ^* a1 ?0 c% Q+ e
( P7 O5 _! e! S    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
$ y# k: P9 W8 H7 q
9 Y, b' F+ |8 ^5 A9 v1 T    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …
# |7 C: p5 Z* `+ s
% M( r# D0 _; w   
" }1 n  ]' [+ ~# P) l1 P
    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
; @6 }/ e8 \  [3 q& X" s4 U
    …
: ?1 f9 R; V8 L/ ?
4 Z3 r% m2 \; |+ f8 A  u' L   
: a9 @1 `7 I/ t* M$ o# R% ~9 T0 u
: s. p2 ~. I) \+ p    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。
+ k9 J) {7 q/ b
   
& l/ e. S, I# z% l
    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。
! h: ~1 P1 f# u! U( C
   

: R- o# |! e( s* G0 X( h    以下是TestBeneh的核心代码：
4 F+ ~1 _. Q$ T$ s
" ]1 h) k; ^# D) M: x, W8 m9 ~    testprocess：process

    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
' O) n- g6 F" S  F
    inp”：一指定测试激励文件
' K+ M. M2 ?8 D+ a" m4 t2 A
+ c6 F0 a. H; Y4 N, q    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

    一指定仿真结果输出文件
8 j  l% X$ a9 ^2 |
    variable invecs，outvecs：line；

8 G9 ^- {& G# z& x$ q. m    variable good：boolean；
& K2 i. W9 q; n' C3 F9 y4 @5 B. U* ]
    variable eh：eharacter；
! i& e: S8 H3 j
  t* V; V, i4 @  S    ……

   

6 C% A& N" x  V9 E5 F    while not endfile(veetor_file)loop

% G( p, a: m6 \; G+ @( Q    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励

    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
, |2 o) ?$ a7 Y# `6 c. f! B
$ T7 ~! }" m  Z    read(invees，ch)； 一一读取空格

; Q- Z# m( I9 v! t/ ?* x    ……
, P7 s* d3 }0 G6 u& N, U+ z
   
0 G# x4 B# R3 J) V; y1 S
    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
. Q) @# U9 t2 N8 j. B
    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……
) T0 j1 L2 S, f
   
% i6 O9 ?# j0 G4 K/ p
; |* g) Q8 [8 m2 L/ n0 q' Q- i    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
- R6 Y* B3 f' A
    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

    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
! S: p+ }& O0 Y9 }2 i
    ……
; _6 W+ N( Z6 D  m
$ v! d+ ~9 M: I) [0 a   

3 H' L1 m, r8 ?* ]$ O6 j    caseiis

7 {/ P# y- O0 k  i( k! v    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

. R: f" h  g5 Z( k/ V+ N    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

, x$ w6 Y5 u5 }3 v1 ~8 I5 s    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

2 X4 |7 ~& w# ?    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

    when other8=>null；

    end case；

$ E( |1 k0 D0 @& k! o# u    write(outvees，string’(out_string))；

" {7 ]" ~: t7 A+ y& E2 m& ?    ……

   
' w/ ?; `. V( B1 E9 U' h
: k* `  ]; c/ |7 d2 {' F; H+ X    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

) M7 _5 z7 S0 V   
  [" A6 V: y/ ?6 {
    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。
# J& @9 ?3 n/ R) S8 P! Z7 B+ g$ l) M
   

0 @% ]; n6 U+ [- `+ U( L/ [   

- X0 v4 L, \. Q  \  B! D   
# Y. l+ v7 j: H* d5 `4 `4 v1 j) i
   
2 R$ V! u5 Q; }; R; [
3 f% [3 _  M" ?( X  v5 Z    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。

   
3 K5 ]$ d1 E7 [* t