matlab

YShangJ

1 引言
" A  `. }0 f( T2 s
2 s6 T; `9 I0 A. e6 t+ T   
) j" u) K  U! `/ h2 R0 T
0 t- F& b( z& k' m4 D    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 {% A( s' T9 w+ n" p   

    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。
. y: y3 B6 f% v( V+ p. \
, Z( k$ v: R4 I! h5 @% r   

& w7 b, E2 k& p4 n) ^, [  ^9 Y. k    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

   
9 o) O4 V3 ?6 v* l7 @* o! j. i
    2．1 TEXTIO的功能
1 p9 Q$ _9 z* V' C: B9 ?; y7 [
& K! l! r3 r" k4 n   
  z) \9 V. i: i8 r  S
) |$ U. Q- x+ V' T$ j8 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)。
, z3 A& B  R& G" Z' C+ L+ w9 H5 g
   
  }$ {. d8 X' C- Q. {) J) r
+ V$ q: o- q5 b$ ]) j* I; P' k    TEXTIO提供的基本过程有：
; O. J; c' F2 h, j  j5 G' b
   

    (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；

    (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；
) V: K( Q) |, ?1 f" l9 B/ j
/ Y) N) v/ t; j  X    (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。

   

- F8 H0 x. U$ X* W6 W: F    2．2 仿真测试方案
- G8 T8 x  R3 J
. Q$ _: t4 ]( y9 _& u. b6 ]9 e   
# C* i- `( V% T  x2 x0 }% Q# ^' {
    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。
, A: ?' t8 Q  n( s" v1 E9 r" E
# p2 _7 S, Y! R4 j" J   

" v) s7 A$ p# `4 W* S" ~# T8 h   

   

    2．3 仿真测试步骤
: H- d+ c; l1 d
1 p! ]+ x1 L8 }* R/ O; z   

+ b; z2 |7 U- S& ~    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

   
/ g& I& ]0 Y$ Q0 v
# _, N3 j; W( U5 N+ ]# ~# S    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。

   
: t$ j9 Q1 I) a
5 z9 I% V" q$ f3 _* K9 T: o    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。
! a' V0 M- v3 \. |( H' x% u* X
8 V3 o1 }  ]9 c: b   
" }/ n+ G# L9 e0 [, m1 R, ~
( R. P9 w0 a8 s% }    2．3．2 编写TestBench

5 a" R- D/ p  N2 w) J4 {  ^1 v   
1 i( _! y0 J( m0 U8 M1 [- y& 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。

   
/ Q  d; ]8 |" m! I8 S9 M
% v3 x" X6 }% j    2．3.3 在Modelsim中进行仿真

   
3 k; ?( m4 {9 ]
4 C4 z3 {: M8 ?) r( U    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。

   

    2．3．4 结果分析
& S! I" _3 j2 [0 T% p7 ], E( x& `
( t. @& A5 n$ p. `; x1 M9 u   
( J, N2 X* C" \4 \/ b
    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 H& x" f8 U: u% L8 x( x
   
6 Y/ o  A2 l+ ]4 `1 w/ g
" |( T1 ?! |* j% O1 u5 C    3 仿真测试实例

6 f$ ]) h! b) T  K0 l7 ^   

" t: X. R* c: Z* {4 z    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
, t7 a1 d! W$ J) h0 u: t+ ~
   
+ S5 F2 I( P' T3 K; L6 O
    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 d) E0 i* i0 N  L$ \
# O7 m" [5 `9 ]& L7 x& _! z   
# g( w8 n* E' I  B+ ^
    3．2 需要产生的测试信号及波形
% }6 n5 i6 B5 {2 G6 v9 W& j
! C" y/ |7 z7 ?7 t9 p- M( b, H   
/ e' `3 s7 A6 s9 y1 \
    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。

  i/ L: ], v8 w- j, c+ x- n   
  N% r( A; @7 m* u: s3 l1 r
; X( V! s1 t7 G! k9 b4 d   
% j6 p9 c$ {% z+ l9 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。

; C' U4 X1 f" ^   
/ A0 L) q- _2 l9 y
) t3 d7 C( m, V' a1 K+ m5 w2 Q    3．3 测试信号的产生
: b( Y6 r% T$ ]. Z5 f7 B
   
8 \. _6 C" X9 G+ O- [- v; x0 p+ k# O
' L  J7 [" X3 \3 E3 t    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
1 o4 p6 A* }; g2 h
   

1 d, m* N& v- ^: T8 j: U    以下是生成测试激励程序的核心代码：
5 {9 D7 \/ n) }! I3 s1 m
    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

6 C& h6 E, C3 G' W    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小

' q# V' [& `$ K* z5 k% U    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
+ u! N% p9 f) I
3 N- O& G# o  d, a) F. X    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
/ @; \* z  W2 `0 A
    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

8 }8 }) O- G  s& g! m2 S    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

' Z) U) {; ^- Z1 o, X    HORTIME=64；％行正逆程总时间
6 c1 E6 M3 g* `1 ^* I2 K, ]
    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
! i5 D2 F# r2 b2 a, n
    荡器频率，图像X方向分辨率

    ……

   

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

$ P, ?# J. l) {6 ^) m: m    for j=1：1：YN；
0 f8 I' t$ r( X6 d2 _; }
    yy_j；xx=0；

8 ?0 N( @8 d1 f5 V. @+ [. D    for i=l：1：HORTIME*FZ；
% w) N( k: [% k& b
) `9 p, L; Y1 o    ％产生行同步激励

! G' h# X: a3 l2 s    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
) J( K" H4 g1 t( L0 j* x
' s9 L& r2 k( S9 {5 q    hsy=l；
; r# ^" p  e# k7 b; t
    else
8 U: E; S& j) P  }
    hsy=0；

5 m/ J7 C  j! j- \    end；

    ％产生像素时钟激励
: Z8 k) Z2 F: U* `
    if clk==1

; U' ^8 {; H% ~2 V0 G6 l; C' w' `    clk=0；

3 o- y6 @( T0 P! e    else
3 S" T4 j4 d: A/ M+ I: y3 R
+ p6 x; @6 u* p4 y5 C* j& V    clk=l；

    end；
2 w$ f: V2 `6 q" {4 t" h
# r- ~9 k: `& R! e5 y8 k    ％产生CCD激励
9 ]% E' ?) I7 h# C+ D0 o' u
% Y  a6 w, }9 D+ U- x" N% z; M    if i>NEGTIME*FZ

    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
' G4 b2 j3 t4 l9 x3 Q9 J& \
- `% m- I7 E' c6 `6 d# X: v    ccd=round(image(yy，xx))；

    else
% `. _0 _  T) B1 A7 {
    ccd=0；

  B! U/ d4 E" V, C! r  q/ f    end；

6 R0 P+ P8 u4 v    ％将激励写入测试激励文件

3 w& V9 r6 y  X* d; ^9 v2 i& v    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

& H( k7 n3 r4 l6 R6 V3 P1 K* g: s  U    end；

/ C9 l' W' L% a7 M2 }8 A    end；
- ]/ S& C  E) k0 T3 V3 c  z. e
    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
+ s; R. b# A9 S& P3 y
; C6 F2 }8 D- v. n+ b    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
4 l+ q+ w( d2 H4 |/ B% B
+ }; g+ B+ ^; J7 H4 W! v& k    …

5 a5 m" O0 E/ ]1 [/ @' S& }; p   
7 o  ~/ U- g6 w6 i% p0 K
' q( K" R! }& W    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

    …
- ]% j% F& R1 z
   

    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。
# \, E, ?3 A9 g. F3 y" M3 M
+ C9 A) K2 \" q7 Q   

  h. _( Y* C' m  x9 D: F    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。

# D) d; J% O; _7 I$ [: m5 K3 \   
+ p, q4 D$ o- Z5 W' W, r/ e* D
    以下是TestBeneh的核心代码：
: v8 n0 p4 A% G
5 c4 M! H2 u, J; `- ^* }) |    testprocess：process
1 s6 r1 m8 F3 l: a7 H; a
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

* K( B* h1 O0 S! z% ^    inp”：一指定测试激励文件

, Y. U3 b" l8 O    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
0 i' p/ m+ p5 x# S5 I. ~7 O
3 x) u) ~) Q! Y2 X" d    一指定仿真结果输出文件

) B' C! k: Y$ f4 N8 Y6 w    variable invecs，outvecs：line；
% ], ^. W6 @* G; D. t  |
    variable good：boolean；
3 P. F9 x( ^9 F
) Y5 C2 V, G/ c    variable eh：eharacter；

* ?- o: r/ R" m- Z' C( V' D% Q    ……
1 P) z+ [9 W1 e3 j0 b: u. @
- f) @$ V& Q+ }3 p, u# B   

    while not endfile(veetor_file)loop

9 R* I- V0 d2 C( l/ c    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励
1 h2 f' }4 B0 c& M9 B5 `
( s: F* H+ U' p' V+ b, W8 `* n    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
: i, o4 H: }9 p  h2 c1 x2 k8 z
8 x/ B6 P' e% I' c    read(invees，ch)； 一一读取空格

! g% R$ L# ]# d( }) n# Y. e, b7 H    ……
( M/ q9 `* F) [& w" T
; o: W" y9 j$ X. Z  T, J   
: W* p% U2 H% U8 q
, R6 m2 L7 p* z    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

' B; e+ z7 f. Q    read(invecs，ch)； 一读取空格

5 M8 n( {4 u; P    ……
  @, I4 H* q8 u: q8 {3 T
   
; ]5 v8 \: a. n: O2 A5 C7 K7 c9 j$ t" Q
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
; F! t9 \5 ~' ~8 l  N5 p. X
3 X" e' T* Z: \# K3 t% \    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd

" L4 ^# F, y  {, |, n# }# S    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy

% e) P* K! [5 A    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

    ……
% G+ N/ k4 N$ K/ ]6 U* y0 q: c0 q8 v
: w# `& M2 Q- v( }# |   

    caseiis
' _6 g$ G5 S3 _: ]7 h
1 d( X8 J  Q  ]+ _( I2 f    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
" w9 i+ C3 _8 r" b
3 {& y6 _$ X- S9 f    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果

  j+ b; O7 p' c! `8 O* H- ^6 T    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
: ^( ~' u  S" o7 u! Q
0 ?( v( m3 C4 H3 B. X    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；

2 S  {% q" M7 C/ x% u    end case；
9 _. g  {9 l+ `/ f, q1 I* F9 o8 j
. ]" e% \, ]7 P% a) k* M2 J* W3 _    write(outvees，string’(out_string))；
/ S1 e/ U& W& a8 m" C& P; V
    ……
- K& U! V: s' G6 v
   

8 G" ]' R+ ~/ B7 o9 L$ p4 ^    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   

- N3 A8 n2 D6 L    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。

   
% ?4 R& D: S( b8 g6 I
* m) J9 {& p; h  L6 c9 F; ~   
9 z- V9 O5 S7 |+ a! z" V
' v6 O' g( s& e! E% L1 H3 D" Y   

   

    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。

: y; X" F7 L8 g* Y5 R; a7 v