matlab

YShangJ

1 引言
8 v. N7 T% i' j2 {& E
8 B- J7 o0 u; g( k   

    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。
9 U. |; I6 j) d
   
+ S2 |8 ?% j9 Y( Q6 f. q
    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。

   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
) K0 ^- V& t% e+ p8 t3 L3 V1 U
   
9 f- Y* g3 s4 F% ]
7 P: W' a& V5 R! ]    2．1 TEXTIO的功能

   

    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)。
' G- L6 ^- u1 N7 t
3 X0 D2 W- L! W8 [   
$ C/ [, d$ ~( F1 m5 W! ]
: Z1 o' ]7 l4 r1 S, O$ O+ T, e    TEXTIO提供的基本过程有：
8 ]+ g$ [3 J2 r2 C& B) l; v# X
   

    (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；

8 I/ }$ z% Y! A* _( @    (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；

* W$ x$ u5 F7 a! z3 R    (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；
% j: M( T% B) |$ K
    (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。
7 Q9 F" l9 x) u2 X) C$ ^) m" L
   

    2．2 仿真测试方案

" h. K; I, m9 m, P, t0 h0 U  C   

    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。

4 Y- P: U$ z% q( Q   
1 p; g  f) W3 i+ f% j
   
2 h, k" L+ A3 D  q! i2 c. T4 B
) B$ H% d5 I, |- W3 `3 d" {   
# o8 H# [* A1 s* I% e1 l
    2．3 仿真测试步骤
6 X9 R* o) f; ?8 |6 n$ F
7 P9 }) u+ N  ?+ A9 ~: T4 s0 f   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
' o& j5 N4 z: W; w4 g
) E6 x3 d7 T/ G   
1 v9 t+ W! H8 K& {
* W3 G' k2 ?) i2 M; |9 n4 W0 @  h    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。

6 D$ ]% m) |& ?, U& ?3 D! S   

    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。
2 V+ r8 T$ Z7 f! Z$ G+ l  L
   
+ V; k! j! }# E9 {
    2．3．2 编写TestBench

   
0 v8 k. |7 C! w! V5 R( R
- P6 Y' I6 Q% L* s, t- u    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。
5 q% F* M, a% T+ M8 J
   
8 `5 e$ S" Z* N2 S& _
3 w* @7 U% M7 V" @- n) h2 F4 M/ Z6 N    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
! i! F. k$ [8 V
   
: b! R  Z' b  K8 L
    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。

5 I; @5 e2 \& {, P   

    2．3．4 结果分析

/ I4 S4 L/ H. c& b* V   
8 A% V% ]/ x4 A0 L  i5 I6 O+ G
5 t. o' [  F, Q' t6 {  ?# W    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。
9 S: B0 |/ R) l; F
   

0 V  p% Y. @" u  Q* `    3 仿真测试实例

   

    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能
& Z* o% T6 h$ n9 r2 }
   

. Q9 ]/ [# A) A& O0 L" d    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。
, T, r( S& I' r/ b! r
   

    3．2 需要产生的测试信号及波形

) {5 k! |, e5 H/ n   
1 J9 T. f+ |1 {( ~
    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。

   

. [/ A* Q9 b! M+ 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。

0 Z1 g1 N1 J; r) c/ v   

2 M5 K! l* J# j$ L" i# h6 s& {    3．3 测试信号的产生
% @3 l3 C" ]# H* F) Y& O- i
   
3 W" A" d7 A# E; O6 v6 Z* j  c$ X% ~! e
    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。
# s- g- s4 u6 Z7 n
   
1 K5 Z, I8 h  }
6 n5 O& ^$ h" X1 w% ?    以下是生成测试激励程序的核心代码：
% @3 b* U2 l* e/ h2 P7 g  J' E
    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

& m  Z" l! ~9 S8 Y- P    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
8 D% R  ~9 e% g0 B
: O. z7 ]. {+ }  \) j    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)
  x0 l( u# k( Y2 C
# f: R4 {: K0 r  O    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序

) `( J2 s; ~7 ^5 j, A  W8 P/ B    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
' i( }7 }2 H# Z+ q; }# t* e  \
; @3 i4 h6 N5 P3 l! z. e- I    HORTIME=64；％行正逆程总时间
& G% b9 o0 Z8 Q/ b& ^7 T) p( H
! `5 x( ^5 ^' Y; z+ a+ x( d! d    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
/ N, e% y& K" b* f
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
/ v3 L% Z5 L' j% L* F, [# W, }
+ H( \" ?3 g5 G  [; ~    荡器频率，图像X方向分辨率

3 A4 ]  s7 Z) y0 ^    ……

   
3 H% @& F* A* O. ^# D3 t6 E
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称
5 Z: y6 X& W7 y
    for j=1：1：YN；

    yy_j；xx=0；
/ L( z! {; E2 |- o& b1 i
4 N- [9 o2 o; l' F    for i=l：1：HORTIME*FZ；
/ |9 R4 p0 |; m: d
    ％产生行同步激励
) O( b- D( B! o) [8 w5 \  _
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

4 W* ~9 f3 L$ f( {    hsy=l；

    else
. @  ?( ?6 M3 r1 F( U
    hsy=0；
" K( R0 J, s; ?  G
1 W0 g! {7 E3 H6 f$ n2 w    end；

. N; T' x8 }. ?, z0 }2 i" j    ％产生像素时钟激励

    if clk==1
8 N, m6 p2 K5 f$ d8 c& {2 O
6 @* y' f- I5 ?! q    clk=0；

2 C8 g3 p' G3 C* s    else

    clk=l；

    end；

    ％产生CCD激励
6 V; W5 X/ C$ x# x: m, `2 y
: M& E" a" T2 Z' e4 R    if i>NEGTIME*FZ

: z7 U3 o# t6 c    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

    ccd=round(image(yy，xx))；

    else

/ A( V( T) e# `' z- ~$ J    ccd=0；

5 l; x' I  O- v$ z, k. o. S    end；
6 r! m0 g2 V: v5 I  F$ K1 P8 O  _
) H, I; w; ?: J    ％将激励写入测试激励文件

' ]9 C% D) h3 `: x6 P& B    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

6 E/ [/ Z. x4 m' D0 ~    end；

    end；
( Q9 i7 d+ o% Y; g! d" Q
: Q0 d  e8 ^8 ~2 ?' p5 h. c' K    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：
( s; G) n' U" b
    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l

    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
/ t$ G! M* A6 T/ c
" ^1 v& e8 U0 I0 y    …

; D! r3 G. U* O, V+ w   

" K- _. B. n1 {& F9 Y$ U    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
# J0 I/ Y, y8 M4 Q0 }9 Y# v
    …

3 l7 R8 Q! T) j   
9 {& ^1 \( O$ N2 G
    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。

   

    3．4 编写TestBench
0 z- [8 T7 E+ S3 \
  X$ o9 A. _, g2 ?8 l0 z- X   

: L! R$ d: o# u8 P* Y4 b" ~' p    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& @3 F/ G   

5 W) R) w8 a1 ^/ C  c; N' _    以下是TestBeneh的核心代码：
6 N! e* k9 m4 E( B- B+ \
    testprocess：process
( T0 c& d+ D4 W8 g/ k8 m
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
) ~6 ~+ F0 O! ^* P- x5 j5 Q1 [9 u
    inp”：一指定测试激励文件

" r5 P0 P% b4 a' F: r4 i" P4 @3 Z    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：

3 E: j/ c5 d* Q    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；

    variable good：boolean；

* I- t$ [* Y) b8 ^% t" i6 e    variable eh：eharacter；

: @2 Q; d" W1 K- u5 n3 u    ……
2 y/ y. r. m5 x( P8 t- n. s
   
: v4 W3 h1 g! \- H- q. K( \+ [
) Y1 L% t9 e/ `# G+ r& m; K    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
* e+ e* G+ o3 B& g# T; q5 H: y# q
1 \  R  v. C' P  T    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk

    read(invees，ch)； 一一读取空格

    ……
" j7 Q9 x1 V0 Q
4 C: K9 w( N: f( V9 L   

( a1 k' ^8 }& \3 e( \3 l8 m+ f  |/ n4 V    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……

   

( c/ f1 ~0 K* r% s" J/ C    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

    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy

! n6 g- |) F+ ]; S    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

% \' w- t( ], n7 w    ……

   
" j5 I6 h+ V$ }" h" e
    caseiis

: d6 J7 I( X0 n) f    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

: t& T- Q$ |2 X( _+ G    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

+ Y* U% o) x9 Y" b* X" q! E* ]    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；
+ n& o0 e2 I6 C" ?
; [5 @% Q; {- t" o- p9 [    write(outvees，string’(out_string))；

; k3 ^2 e3 ^) v, @% m    ……
6 {( G/ ~) n  b6 w; O
   
8 ?% [4 j# O" ~
4 R% g' N# g! M# i    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

' `* D1 h  h, M" Y   
* W5 R) d  ~) @# K
    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。

   

   
! I3 L3 H* ^/ V1 E' w
   
6 }( G, w+ @% a# H8 R- G8 m, v5 ~- M
# w" K- Q( A/ c$ V2 F! s. R0 L7 W! M   
2 G" H$ W6 g" ~. @$ b; j
    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。
- B7 @* _! }" @) x* b+ Y" _/ y
9 G- j9 r' P( r