matlab

YShangJ

1 引言
" P  F* ?# N1 y! {" I+ G! C  M
   

    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。

   
8 h2 H$ z' k$ `5 {$ V' 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。

# P- W$ v$ E) M. f   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
6 P, Y. F0 q1 [+ l
   

    2．1 TEXTIO的功能

   
5 g! X$ U- n/ j2 f/ n: z
6 h* m. D2 J$ r. k( I7 F  \# ]! @    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)。
( y8 p% G' D2 n6 a3 F7 ]8 M
) D! q0 ]) d2 L  q: \  |* ?   
+ m7 N; H( Z) J! ^2 v$ {
! a# [9 \8 i& V# e    TEXTIO提供的基本过程有：

   
% w6 d; @& d2 F: H5 a% r
2 ^3 [# V) n; ]+ g' y! }    (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；
# `# A  ]( w. }+ n0 R# ~
$ F: ^3 @3 H. I! e* g4 L    (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；
* |6 f8 O' e3 G) M% 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；
3 v: G. A% l  A
8 z/ z/ a$ Y( B4 k2 a1 v    (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* z8 h' G2 ?3 z5 [
   

' U( }4 i8 C$ ^8 G    2．2 仿真测试方案

   

    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。

: |* ]* ~; X5 O! B! Z) U   

   

. y! A& W- m% F% D7 F, F4 X! h% Z   

! J9 s8 A' U! Y3 j7 K    2．3 仿真测试步骤

   
7 _9 b* d! d7 Y1 d, u) F
    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
2 h2 |: |6 O$ ]0 v5 u
   
& J4 R6 M; d. |4 t6 \
    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。
; p" c5 A, Z3 g9 O  [: b
   

" Y1 ^5 C. s* [" p8 o/ h+ p    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。

+ }9 @" G6 C  Q; w   

    2．3．2 编写TestBench
$ ]3 ?8 A! y4 F: k/ L
  b/ X) _; k8 B) e* w4 N3 \   

    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 g% q, g  ~) G0 R8 h
   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

   

' A! _% t& Q; S: g; C! V    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。

   
  _& b: V: r0 Q$ ?/ \% R! c
1 y' j# P) n+ e& f$ K% F/ ^    2．3．4 结果分析
/ b/ C5 |! t; t8 i5 K
- Z, j" c4 Y& I6 [8 t   
+ G8 m4 ^" j" I: M
    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。

   

& e5 o2 \9 a2 i/ e    3 仿真测试实例
1 K$ Q1 \+ t5 E
   

* G: v2 H; m1 ?    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

   

3 h+ J0 r  K3 p; _4 X) K- e    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

" A" g' [' l, J6 P, N' Z% X   
% n4 c8 K0 g0 c7 m* P: t8 _/ Y/ 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。
# U5 s6 O7 M0 R' |7 B! Q* d
8 ~4 k+ x( |; T2 e# v   
- R2 {" Q( D/ R7 C, x: 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" f1 W  D+ g- G0 U+ }2 B* W
8 |) R  R, f- J; ~2 b   

    3．3 测试信号的产生

/ ]+ I7 f' O% X: s7 X2 w8 v! K: W   
' R. v4 r* b( n' ~: y) r$ C: j% N( F
" H4 ~* [$ I1 Q% x: O1 v    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

7 X  s" l2 B) @6 _4 P; j   
* K+ Q6 ?" R* k/ G5 m0 H9 o
    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

    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
8 K6 ~: K  k& h& W* T0 l. {/ \. G
9 C+ I$ A6 J4 U4 o+ T: O+ ]    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
! m6 `( Y/ a7 s" N6 W. \
    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

" {6 v4 j, r& n$ e& o! y    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
5 _/ {* K9 M: _+ ^9 f
    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
) h* U5 f) Y! m  Y# R: [$ y( ~
    HORTIME=64；％行正逆程总时间
6 B) t5 s2 A" r7 R+ a! z+ _+ Q' e. v* N
    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
  `3 m1 f% T+ ]. W
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
! U/ d6 s9 A- p0 M
; T; ?5 J7 \$ }/ S/ {. M0 Z    荡器频率，图像X方向分辨率
, Z  n" t' q. ?2 X
    ……

   

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

# t, E: N3 z, b" J  r' ]    for j=1：1：YN；
  l! j; v1 b& [1 ^1 P
+ C! ~$ \$ o" A' h/ _    yy_j；xx=0；

. D! F2 c! q. F! m7 K# }! a    for i=l：1：HORTIME*FZ；
8 H9 r- K+ o; [! R7 `7 b, m4 m0 O
$ }+ D& K( q# y; t- R: a' ]9 c    ％产生行同步激励
3 {! `% H/ q( t
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
7 A) i) X4 S! M4 n
. w& m  k  c" M; b  o    hsy=l；

# u. G- A# D% v% n$ U5 i    else

    hsy=0；
* w6 F$ v! S3 N  Y3 k0 A
0 {- h# V3 S# _; L9 H( E    end；
/ [5 N' z; A, `( l' f+ k+ K' y! w
    ％产生像素时钟激励

    if clk==1
5 @% |2 f0 ^( T& E$ d+ ?1 i! \
" I! X7 Q* Y1 t: Y; V! r( k) Z    clk=0；

6 _' X/ e' \: O% I8 W+ {* H4 ~    else

    clk=l；
, D( }. ]1 |* i& H( d5 h' |
    end；
, x% X$ B) p& l7 h9 u2 v
    ％产生CCD激励

) _$ W% K) p- j# ~; f; ~    if i>NEGTIME*FZ

$ _1 M9 z+ _6 c* S7 ?    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

2 V3 }) o$ l- U. h    ccd=round(image(yy，xx))；
) a/ x( G2 J1 ~* N  D1 }
    else
5 ]+ ^- d- E" K
    ccd=0；
0 d3 W4 A$ H; O1 l' g
7 X' M# y/ |& \0 E* R+ L4 G    end；
0 H7 A; M) |' a' X# z- \0 S  }
    ％将激励写入测试激励文件

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

% G0 C7 _  V: H7 }: @% h    end；

    end；
" r5 |, {" D$ A& T% `) ^
    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：
$ g9 L- l! J: G% H& |
7 ^' L5 [: L; l6 |$ o, j5 u    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
( m# U, W' M" `. q0 U) G
( v/ U$ t+ G$ Y+ k% f/ i    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
- V+ y4 Y2 t" ^8 A
    …
! Z5 W; l+ o0 B( a+ M5 A7 @
8 v( b$ A! V5 R: W' o   
1 f) S7 P' b" ?9 |/ y. N3 k
7 {, T1 j. g( i% a    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
- e% v$ F4 m( y' K1 A' w$ D5 W
! l2 f" ~2 L) h/ A0 d    …
$ O2 O+ x/ k* _: I
  j4 ^9 Y) G$ Z3 M   

    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。

5 {, I( z3 W6 Y. p# H   
# _* d& ]0 d2 A. P" p
2 S" k5 U5 ]# b+ {( k+ G3 D    3．4 编写TestBench
$ t$ f6 h  M5 M
9 e- p# Y1 B. l5 Y# E   
) h8 G; L, ]3 z1 ^
4 j( y2 y; c  b5 U; W) Y    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。
2 p5 j+ W# G- S2 |
7 t2 Q8 z/ o- C  y   

5 V7 G0 _3 y' v. q% ~& `    以下是TestBeneh的核心代码：
0 B, `) ?8 l& M# O. g- I7 M
    testprocess：process
2 e# S- ]# \5 j( v2 [7 [
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
+ K+ K+ i; `  h0 T4 W: P- U0 O
    inp”：一指定测试激励文件

9 n3 g! h' t# K    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
; s2 C  }3 p) \& o
    一指定仿真结果输出文件

. |+ P& ^$ O. E1 S; X* `* G    variable invecs，outvecs：line；

  ?; \$ w0 K1 X3 M6 S; O    variable good：boolean；
! k, j3 `" _  p+ u' D
    variable eh：eharacter；

* M5 X; }! d2 {( F" ~0 |  x    ……
0 X- C% d! i: ~8 ?+ c
' b' i$ B! v" d- M  a   
2 [  r1 Z  k0 D- `
- j! A  v, }! w. s5 T    while not endfile(veetor_file)loop

    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励

; Z3 a: R& q0 P* C% x    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

9 {5 B( R5 F$ x; ~* _    read(invees，ch)； 一一读取空格

( |8 X4 r: F" q9 a' f( q1 }    ……

   
. Q) o0 x3 l5 G) ^3 M' ]
/ m# }$ d; W  {1 z6 [# b8 u8 |    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

# X6 V8 r3 s. Z4 ]    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……

+ M, e6 N8 k' D5 f   

' R' O$ o5 p$ s# x" @0 Y    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
, {" [2 A5 Y' F1 }
    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
2 k0 O( Q! A/ k
" O6 h% @6 x" G    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy

* Z' s$ `4 f$ I8 E9 p6 r! e    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

: y& B9 C; u" {# {5 b9 V0 I    ……
3 O, e) f0 ]% |" @# [. F6 k
   
1 e; \  _- `: M9 l" u: w1 }- [
/ W# k$ Z. `' ]% G    caseiis

    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
4 s/ v/ @3 b* a. n3 D
    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

; o  w. w7 j$ r$ F- T. J4 P4 r+ S    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
6 g8 v' l% n4 ^5 y0 T) j# D
0 N$ K5 m8 ^4 s4 l    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
( v- m7 E* p( \' ]# h" Y, _
    when other8=>null；
$ S$ N  g3 {; b  `1 J" Z
! \/ Q. Y" b- a7 m; U    end case；

    write(outvees，string’(out_string))；
1 j* y8 v2 m6 x
  A+ E- R. a8 c3 |) P+ x% O    ……

0 Q0 e! }, k( D' }$ D   

4 a( V6 C/ a1 a& j! b    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   
1 a+ {/ y+ m4 ]- d2 X4 \# v
) Y+ _  ^) h$ {* Q% _0 X    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。
/ ?5 C5 }& Q" r5 g7 S
/ g; v5 h, C' I   
% r4 \* i: U! p  P8 p7 C
   

$ x- y' C4 U  X# d1 Z! b   
8 _1 A1 j& m3 G, `. W3 [" `* H
! Y! z2 w5 [7 ]! X6 g" I3 \% _   
& ]8 y: k( ]$ o) W/ B6 ^
) J8 J2 E5 [% ^    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 B4 I# a9 T' y+ i) E