matlab

YShangJ

1 引言

. Z8 Q0 X+ _4 [   

    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。
. w( |* C1 Q# S9 z$ ^6 R
! G: H& D, n; ~/ v  q/ @0 |5 a4 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。

   
6 W" c5 x( V, L5 J) m8 \; `
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

3 P. L- L: U& H9 u; ~   
% R$ p9 K) P8 X+ P
    2．1 TEXTIO的功能
2 t7 n$ l# ~# l2 H: W$ s9 o( n9 m
   
5 o* L) i: }* ?: v$ ~' r5 U6 y. s  j, l% 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)。
8 J- Q( r4 |+ `# b4 q, h
& d9 E1 w4 W) |3 D) K   

; t3 L" G7 W# S" t  r$ m% Z6 Y) s" q    TEXTIO提供的基本过程有：

   

    (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；

9 O  r$ R* R8 g* ^! a/ {5 K    (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；

    (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。
9 P6 n% Q. ~4 J
   
0 [" u0 N4 ?! ?! d3 ]0 b  v4 {7 W$ |
0 E8 J$ ^, N) c6 s# A    2．2 仿真测试方案

* V/ B( {  J  G1 O   
: |; g2 {9 t# s9 Z
    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。

2 N$ }4 b8 ?& L& E$ I   

   
" m$ w, h9 z! {6 X  j
   

    2．3 仿真测试步骤

* `' s2 q- Q) t* `- F! t$ d   

6 t! u5 x  C: X2 n    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
' Q* N1 E4 l0 `. r- J- t- E
! Z( y: x6 o/ c+ U( W  k$ g   

  u2 G; r! k. f- t' {    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。

3 {0 A4 Z! [' m   
$ g( p& A) \) D, y% O! I) A- H) 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。

7 j" ^/ C5 K9 ?' i   
# b& u4 u8 Y& g& G- b& a* R
    2．3．2 编写TestBench
" D0 j0 D. f1 k, c, K
   

4 Z! a) B% R. V5 N3 y8 x1 y    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。
; u/ ^$ y- l; P1 o
   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

   
. y. I: R( m8 R% ~& a4 }, X' b
    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。
) ?! Q1 d6 U. d8 t
' m% B, [% c1 H' _5 w: Y, ]9 e   
# G. T9 }1 i. j
    2．3．4 结果分析
8 p( U2 i% g/ l% P/ ~( K
1 G* B* i, R' d9 N; d1 y; ~5 a; C6 c   

    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。
2 B# Z2 z2 m* D( s
   

    3 仿真测试实例

   
+ [7 u/ T* ]; n0 @/ A
  j: i; u5 A$ b! h' M3 P2 }    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

   
- w& W; I8 a- b* x& u! c
& W: u! q$ g6 ]0 T6 h* K    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

   
" o+ K7 V+ l0 T; S* |) l# r
    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。
0 e7 e4 i5 Y" e5 X: j
: p" E1 S9 |; }3 o0 ~8 `' A9 @   

/ K; M  N) R+ G& V, v0 X   
/ [) ]7 D2 X4 X
( A8 T4 R& ~& e5 d$ ?' z    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。
8 C1 l3 A8 J5 J- D/ C
   

    3．3 测试信号的产生

   
' {2 L0 o! Z! z" E" ]6 b9 W
5 y' t; i* t6 T5 D    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
! D+ s6 a5 g' Z- B' f% T9 }
$ J0 ]( U9 X% n1 P5 Z1 j   

    以下是生成测试激励程序的核心代码：
9 K& W9 T6 Z& D
- P- B  w& Q( B% r/ w    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件
0 S4 c8 }" b. n" h& V, m
    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

, A3 T  s& i; w% D    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
/ P+ P/ _7 m$ y, k0 ~) r
5 ?- ?5 M* f5 H& a" @    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
1 S4 g" i# ^5 `( R7 E
0 j2 O+ w! N& E0 y1 s    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

$ Q  S7 {- }* Y, y5 o    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

8 h# P- }/ E* K: Q9 z: a9 @    HORTIME=64；％行正逆程总时间

, {: z. f# r9 b0 T5 U4 o" @( a    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
$ A' l+ `  V8 E3 G$ v0 @( U# N
/ F2 I8 d( Q6 s5 U" {6 L8 P    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
0 v% e9 h8 U% \3 N
' R, F/ Y! X8 k0 C: ?. c    荡器频率，图像X方向分辨率

    ……

   
4 ^+ q& v2 Q8 _: P3 w
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

" v/ U( v0 i8 r& r- L- b6 ~6 [    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；

. |+ S6 M  i, h$ b- }    for i=l：1：HORTIME*FZ；

    ％产生行同步激励

* ~9 }& H& Q# ]9 p  L4 P    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

    hsy=l；
" M1 j0 O# E# N# h$ s+ g
1 l( o5 c# s5 h5 f, r0 I5 M    else

    hsy=0；

    end；
4 p; ~6 E2 A; Z' F
    ％产生像素时钟激励

    if clk==1
) C" j; g6 k$ C9 W1 H/ ^' n
    clk=0；

2 ?& L- U+ L7 h' B# T5 o    else
0 h* `+ Z2 o* w0 v$ ?$ i' Y; ]+ T
6 {" ~/ b( N& t" ?& |' ?/ i    clk=l；

9 j5 f! \+ p. K. V! x! c    end；
! [% h/ U1 T/ u) @" Q8 p
    ％产生CCD激励
& P! i, q7 G* o
    if i>NEGTIME*FZ

& L. l, M2 M* w    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
! H7 K" b( P! U9 ^3 @7 S
' y2 A% D2 E: W* L9 p$ U# j    ccd=round(image(yy，xx))；
( Z1 |/ v, ^! b8 V
0 ^$ a+ s. F" N  h" n    else

; l- c* O. y1 Z& M4 |( E    ccd=0；

/ ^( L5 j- `, n/ L    end；
6 N$ p( k8 `, b. R
4 ^5 ^" V! @* V" C6 w" l! E% m    ％将激励写入测试激励文件

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

    end；

! X7 ^7 x' w/ ?! t' t, r    end；
4 }7 J" r8 ?( W3 L4 V, w
    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：
% D# K) u: j  t: m$ z# F5 U: b
    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

! M* i# a. i7 \! `    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

8 x$ s  T& v* ]: i+ m+ o7 y  D    …

   
3 d, p& ?3 U4 n8 o) Y4 y
    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
7 n+ P: ]6 H  x$ R/ f4 i
$ g8 c& L8 ]# C3 Z* n7 R    …
! s2 a) z- P6 l$ X, g
' B% ]% S' J8 w; f( K8 B1 p   

6 X- A( \  j# e; O! r9 {    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。
9 G: u0 C4 b  ?1 I
   
7 R5 S* s" F3 y' B2 c
6 C. |3 d, s: M    3．4 编写TestBench

/ M! J( C4 }) ]3 ~% K   
0 L$ [. ?) Z* O4 k# v& V% Q& ?
    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。
- _3 j! f1 d  }: }8 m6 K  L! E' z. G
( S7 y$ e: c; L9 a   

1 V$ G: G5 f; z2 u! }    以下是TestBeneh的核心代码：

8 k- {# g4 ?2 ~! t1 M# e0 @    testprocess：process
& c- O3 e, _; T) k* s! E
+ U- b  M! U: _    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
) N9 _8 r! O6 h! V
+ `* E7 y$ D3 e0 K( V4 s8 y    inp”：一指定测试激励文件
; J! z! S, a7 n2 l
    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

    一指定仿真结果输出文件
. m8 h2 u1 ]- x/ b
    variable invecs，outvecs：line；

    variable good：boolean；
% [3 o" `6 Y* z# l7 o$ w! _1 s, s
    variable eh：eharacter；
+ n' m# F0 `+ b/ \
    ……
: E6 |( O2 I( Y1 W
7 \$ @* T  w  h2 G   
/ G- f$ P7 @5 W5 S3 ^
    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
8 {1 X! @  v" @. G, ]( v. k* W
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

7 b- i+ @' x( e' g$ j4 N: D    read(invees，ch)； 一一读取空格

    ……
* G2 u- ^) F/ T; Z$ A0 V
2 V  h% T% c& }' f( K/ _   
& E9 Z& h) N) G+ d" x* D0 O
) g- Q( Z1 f4 k" ?1 S+ s    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

% O5 r3 C$ S+ m* i5 |1 U& R: q) ~    read(invecs，ch)； 一读取空格
8 Q9 Z: g. p6 D) w# ~  y* f7 h6 e
    ……
% u+ ^' ?, g% T# B
   
; ~7 o0 `/ V* M4 D3 B7 w2 Y
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

) x* y% G! N0 ~% x. o    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

' x; [  _' T' ^    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
8 H# T) c3 F+ M* {
    ……
  s. o5 |4 h& C9 M# O) s7 q
7 N; N: q/ t/ j6 |+ v   
) i* Y$ P1 J3 P
    caseiis

    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

5 H& ^- S: q' n- M, A: l    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

# l. }/ L2 Q  u+ V. o+ f- I' Z    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

. r" L4 i0 Z& g" Q; O* ?+ Q1 M    when other8=>null；

    end case；

4 J. _5 q1 {! |, I) i( j    write(outvees，string’(out_string))；

) Y2 k8 U" p& T+ c$ I. N    ……
7 t% f6 m- i1 y  N  a
& d' N$ Z8 n$ t: E* _( l6 M; m1 ]   
! H5 k7 O/ d  i2 M$ U% z7 n: z
    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   

1 P+ M" y2 X: w    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。

   
( E: v9 o2 Q* _& g: ~4 O
   
' _$ X0 c7 x( K8 p, y
   
# K8 D- c3 z" _8 O$ [
* W$ R2 E  U% v! T: x% z   
5 r! |2 B0 r0 M& \1 Y8 `" l
    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。

5 J& U  x3 T& [! U' h0 l" f   
3 W, M1 Q' t1 p9 b2 M