matlab

YShangJ

1 引言
1 `& v2 Y' F3 e# G$ Y5 ~$ a
# u. j2 X$ G  r& o   

    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。

7 Z% E+ t2 M3 A! G: M% J$ Y   
6 z3 M- P) [' Z: B
2 k( K8 y* Q/ x! f# x    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。
$ R$ q5 |+ |! J  T# C1 H- `7 i
- e- j6 l! m/ T2 N9 ^# E( C   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
" H: A; \: P! E* E9 n4 u
$ T8 ?# ~9 g1 s& e+ R" ?: [7 ^   
+ J4 p' P. Z6 y( f9 i
, B* T# @& k  N( F0 L, {- e    2．1 TEXTIO的功能
. c8 V' X  |" F0 C+ y) l
   

    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)。

, _7 q  z5 Y% e7 G# [7 Q. l$ \   

  r- G3 x8 o+ U2 g    TEXTIO提供的基本过程有：

   
7 Z: j/ ^! ?" [+ ~7 O& Q7 s
9 r8 P7 w; x9 F, b( K, r0 n    (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；
) j- ^1 Z5 k, G: O
( N- c* Z+ h: X3 ]( `0 [, g0 J: d    (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；
$ V0 Q5 |5 @' }- D/ C. S
    (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。
3 X6 Q5 T" I; Q! C3 M# ]% A
   
* d3 c* S0 [$ ^' I
' q4 B# [& y5 c  `0 U1 E    2．2 仿真测试方案
! d, N. ]) T$ y2 P
   
: x( }! Q. V: Q3 l8 j
& ]* ]6 X- \! ^: m9 G. N    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。

$ `& R) H- o6 ~2 u) c, D8 Y   

   

   
' o) n# `( C1 X9 P) B- t9 v
# I' M5 ~5 M  z1 b) ?  C' [! N    2．3 仿真测试步骤
/ v# z- |/ s! M% ]
" @+ A2 K( _# J) ^   

( O# @7 O0 B3 f- t    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件

   
0 L( j  ]4 H. D
2 `- ~" }0 P" m    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。
$ {* k7 ]. D+ `8 F
   
2 U5 I- B! I. X* J* Y( k6 ]
    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。

/ ^* P! g4 i2 ^9 X. u   
+ C2 |* e$ }9 ~0 c5 \* S6 i
5 l4 |. d; o. N2 M" Z- M! j    2．3．2 编写TestBench

   
; m- V) Q* b' l3 A  H  b
    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。
0 W% k$ b, g( ~
0 v+ C7 z0 v' |+ a" k   

    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
; H; M6 g3 ?8 w* }- S+ m
   

    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 u; j9 @9 _. w
+ @% Y8 Y4 @  T7 h$ t# H' j   
  m* g5 P  B7 u4 j! M9 L" y8 d+ F
    2．3．4 结果分析

   
2 A& Y3 A: Z( d$ K" u5 t* n
2 H# R# x+ G* |$ u$ \/ 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。

   

    3 仿真测试实例
' ~* U% T: V1 x0 ^# H
   

# T$ c9 n3 e# G$ |/ v    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
! C$ k/ f2 C% V: E( n
   
* T: l( f0 W& g7 a, e+ ?. S, k+ S
    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。
) ~0 o& b3 F/ B
: |5 j1 y- f, D4 m9 x   
) t" c5 y' l0 k- e
    3．2 需要产生的测试信号及波形

$ [; }% G. t/ z$ l+ E+ ?' w5 e   
' d- V& [2 w$ ^! a8 `" a6 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。
( e* c% n8 y4 p0 Q2 w
7 x2 O! {; L8 l. |, F7 l   

   

    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。

   
) m: M* D" x3 q. f# v9 W- M9 ?  m
    3．3 测试信号的产生
4 X4 t: T* N9 ^- [7 G
+ n' _  A8 a0 [8 R8 B, Q2 A( D   

9 G. I7 g, E% k9 D    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
. t9 I$ l6 ~3 N: V) c; l
& ]' a7 d; F: ?' x; X   

    以下是生成测试激励程序的核心代码：

( [7 L1 e; B) q2 T5 W  m+ ^    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
0 L/ c' J& x+ S' s
/ [. K9 H' ~1 S+ e8 [    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
+ @! X9 @/ T; c
    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
% ?0 x) a% c0 h) B' |% ]
; e% X4 m: b( W$ c    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

" m- c6 g/ C! Y; \    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

5 v4 b1 K2 F4 E6 e& s    HORTIME=64；％行正逆程总时间

    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

: \7 m% W. ^! M% R- B, v  v' |    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

! S" K/ R# J& p% ?    荡器频率，图像X方向分辨率
1 w2 j  d# U7 W, A
    ……

; x9 b5 N# V7 {* P6 P   

$ t; s  K/ p# _0 n0 W' u6 l    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

: I. o; e- k3 {$ i' }4 `- |  |    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；
/ l% l, [0 c2 |
5 R+ f; Q0 w0 ]+ a    for i=l：1：HORTIME*FZ；
2 f# E; e( i/ B8 v) j' z! \% A
2 Y2 f" I' o; l% |( H. ^# ]    ％产生行同步激励
; Z7 V" K1 M3 M; z7 G$ D! @! {
$ c4 `; d& h8 r$ B6 y0 `    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
7 r$ }8 f9 g7 X3 r" K# S
) g3 U, ]& V# P    hsy=l；

    else

    hsy=0；

    end；

    ％产生像素时钟激励

    if clk==1

9 I9 Q% n; T/ }8 i+ W: [    clk=0；

    else

    clk=l；

    end；

9 t; |6 M( X4 Z# f5 s5 P    ％产生CCD激励
; K6 K3 _" E: `
" a) @/ z! g! D6 `    if i>NEGTIME*FZ
" M* Z  \# L2 o+ F, T' n) \
' l. t& h8 t6 a* E    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

+ e2 S# Y$ z- h1 Z# M8 g$ L6 b5 p    ccd=round(image(yy，xx))；

    else
! Z% K# V3 K3 a) |/ }6 O; k
    ccd=0；

, P! }, e$ N+ r5 E: F3 ~    end；
) X( D( @( A$ W: G& ^1 S# u# f4 h
    ％将激励写入测试激励文件

    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
/ R# k, M$ S8 h2 K
    end；

0 W0 q+ I3 s; h* u! p) |/ g* y    end；
" Y9 t) j3 O. j! |8 J( Q) o& x2 i; G
    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：
* W' p* `% i0 a. @
    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
8 X0 x/ D: n, D- w8 f& B9 {5 ^4 |, A
6 f9 r1 p' g  J# I8 B. B    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

    …
5 L  @% a. B  ~
" @7 R3 f0 z. T, O   
2 H& t, p7 {% {3 [  J
    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
4 b6 K0 X+ u5 r, O1 b7 j1 v/ y
    …

8 D' |; C) ~# u- a% v; r; S   
) W9 b( u% c, I& ^( T7 {2 p- x) F
    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。

   

( X: \7 N/ T+ J5 u' J, x    3．4 编写TestBench

  e% n7 m0 ]" T, Z9 {   

: c, [% b& _; a, h8 Q7 y  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 O! m$ M  m9 a: g- Q$ j2 Q1 B
, O) e; j6 ^, \( ~6 E6 B& Z" X   
( q3 g5 d- e8 p/ j# H
    以下是TestBeneh的核心代码：

, V2 ?+ ~1 B# R& q    testprocess：process
, t7 `, k! S: \3 @- L
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

, K" ~5 Y+ [, b9 m6 L    inp”：一指定测试激励文件
* n: u3 ?( b* H/ i4 e+ @5 P
    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

    一指定仿真结果输出文件
# E* y3 u" w! r+ X: K% J) R
    variable invecs，outvecs：line；
- ]: c. L% l1 l$ O4 P. F& D/ {
) O* G( v# L5 ~' y1 j    variable good：boolean；

8 d6 \. N2 `3 u7 j- x    variable eh：eharacter；

3 E' i: }" S/ L# v- L7 z    ……

" j) a6 L9 h7 f, a( ?8 c7 b! r   

( H( Q  {3 B( K0 Q, V7 @' }    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
* n' R' a# b8 k* U9 Y1 I: ]
    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

    read(invees，ch)； 一一读取空格
1 _1 I% i2 G5 _3 |! _4 e1 i
    ……
9 z8 j/ N( q8 X) K( N
   
( ?$ C, h! Z+ n. _5 ~8 N
0 z2 v7 K7 W5 W% J2 u    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
6 [" W* p  p) G7 ^
7 ]' \# J: x7 S1 L    read(invecs，ch)； 一读取空格
' g- F9 e% k9 P
    ……

: R  j, u# R# P   

    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk

    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
* ?8 `. j0 y+ g/ c$ R
$ q1 c6 j9 I) j$ J* c9 ]: Z; B- z8 k    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy

3 O8 m' F0 D( M( v3 ^    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
2 w' u. ?- @2 D3 k
# m0 H9 O) I" [9 B* \    ……

   

% }/ ]* @4 i- ?3 z    caseiis
8 t2 r  `* p7 b1 l* k  C
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果

% O1 Q7 Y  Z& C# N* \    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
1 u6 C5 J: |( M) A& ]8 J  h- p# Z! Y. D
    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

8 L& S/ @4 `( _8 u: S    when other8=>null；
7 }/ Z4 f5 i1 \4 x! |3 \/ i, {4 w
    end case；
' I: E, e& ^# ]& q2 A4 j/ Y9 r
9 l! S" l. Y: K& H# Q# }    write(outvees，string’(out_string))；

4 Q6 f2 Q- E: u3 x. a) i0 f" ~    ……

   

, S: j, g) ~% j% k1 W    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果
7 M3 [9 v2 t! o: m9 M8 v' g
   
0 @9 u0 n, @. C) {5 O
% E% z8 F% Q0 k$ x* 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。

: u- |, _; T2 R7 Q   
. e' [8 r$ o' e( B
   

   

   
; C) O, g$ c& }, q2 [2 Y
% u) J8 A5 I8 j7 S, H. J: F8 f+ V    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。
9 f" L/ R3 R/ N( H# Y. T- c
5 i9 p$ G3 e6 r& ~2 Z