matlab

YShangJ

1 引言

4 E/ o5 n/ q4 Y# @9 S( V6 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。
$ d6 ?9 I# V0 C
   

: ]2 j' g/ |' p: F) F% f8 w    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。
  {; _4 D7 a" R: P1 P% a4 L$ h1 t
   
" k- R  r& W) u, W
    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

% C8 y4 z# n# O  N! D   

    2．1 TEXTIO的功能

( n. Z, L6 ]3 a/ @. b   

    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)。
$ d/ L* U) i' @1 U
7 N! R  j/ f" ?8 `- F   

    TEXTIO提供的基本过程有：
5 M+ z/ p$ Q! D
   

- }( l  N" t1 f$ L    (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；
1 [$ c. O" ^+ ~$ j# M6 x8 Q+ q! T
5 ~/ D# Q" ]/ J! B7 Y9 k) R' D9 R    (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。
4 {+ w9 \- o- l3 M! [
; F* Y6 g7 g7 G, D, Z  e1 e   

    2．2 仿真测试方案

   

" d4 S! X+ K$ t8 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。

3 L) V+ Y! {, `- i6 i$ D: ], o   
3 |  p/ j9 q/ v6 }7 A9 l9 z
   
+ G. K$ ?0 M$ j/ I
   
6 b. i# q6 ~  J, p- m( s5 W
    2．3 仿真测试步骤

   

    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
6 F+ |# i, E: @$ Z; r
) |, K* x  X$ ^   
$ n0 ^) j/ c2 L! G9 `$ E& l
" G3 F, r" s$ p  H6 t9 u    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。

( V  ?8 A  G+ v* i. 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。

   
' x+ ?9 A& B% X# }" Y6 z
    2．3．2 编写TestBench
- l1 O; h( T3 G
2 a& k$ s1 _! E  H- `5 s   
+ k- }% ~. R  d. M: n4 t2 l
; u! {. `% {3 ^    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。

   
' d: O9 b* G3 u) A: p
    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
% Q. o! f4 f$ A
* I$ i& d8 [5 @" B   

' n4 j7 Z' Y: L8 @2 i- 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。
+ x( F, O# _) d- D0 w
   

) u6 g% ?$ a/ U' ]! Q    2．3．4 结果分析

   
. L# N# F% T) K1 a4 Z
    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/ ]0 a/ }8 M1 y! x
# n( J3 h( c, p+ Z    3 仿真测试实例
1 B" o5 J* \: E! D
   
* S2 ^( R# R% \
    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

6 U8 g0 R3 X4 l, l   

    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
1 c* w: }, h, Y9 z
9 J- X3 z& I: n$ |- C   

    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。
- r" E/ W( b& _2 g. J! w  R
   
* Q$ g. f' y& A8 j6 F, x
& {) v0 |3 |6 Z& O2 A   

$ W7 ?$ t# ]0 d( x  l; [5 X( 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。
: a* `' z( _  t+ T9 ^
2 S! E0 T3 r5 `! Y+ V8 \   
) O: W5 w: K$ ~( N
    3．3 测试信号的产生

   

( a3 m2 ~5 V* g  D( E3 ^    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

( [# O( F" s- C1 G: l& a   

- x( ~& i2 M4 x# `    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

9 W1 W% `" ^3 E! J' j8 y0 f    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
" i% B$ \( q0 O$ h% z
    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

2 Q+ N+ B  A0 a3 _" O    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
% ^& P8 U$ R2 K- T& L, o
    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)

) F7 a/ Z7 y! M    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)
# y. V3 E) k0 z; Y4 U' e( @5 ^
+ L% S$ E& U: a! F' z. t    HORTIME=64；％行正逆程总时间

9 z% X2 X7 a7 ^* Q    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)

# `+ X5 S! w: l    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振

    荡器频率，图像X方向分辨率

1 F/ F8 k3 v/ \+ C5 b$ m2 m    ……
# B7 M4 B  G; g7 d  v* V
2 [% H# Y) ^4 M7 ?' ^0 P$ t   
( ]6 s& q# c0 l+ i& m4 I7 Y7 ~
    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称

$ |$ i2 o/ R! }5 z    for j=1：1：YN；
# Q0 m# h% P  g" c( b) k. J
    yy_j；xx=0；

    for i=l：1：HORTIME*FZ；
/ n! G' a/ w1 |! O
    ％产生行同步激励

    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)

, f4 S/ W  }; a+ q0 N) K    hsy=l；
, c1 x8 \1 p- h1 z
    else

    hsy=0；

    end；

    ％产生像素时钟激励
9 j1 E+ |# p9 k$ q
    if clk==1
' P/ y3 L/ o4 ^
    clk=0；
6 @: O/ I3 _' h- w
    else

    clk=l；

: s9 ~+ \: m, l2 ^6 ]. E2 X; v& V    end；

* _( ?3 u" [9 {( i$ ]    ％产生CCD激励

    if i>NEGTIME*FZ

    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
. `. K6 d2 n7 y/ [) i+ `
8 D" X7 S$ }3 ~& ^7 t' {    ccd=round(image(yy，xx))；

7 ?# s8 i% [% I* e' o    else

    ccd=0；
1 ?4 c/ I: f6 h2 b3 s
    end；
5 _8 D9 i+ i. J
% T/ ~( C' M4 Y! J    ％将激励写入测试激励文件
. c/ p+ \0 I2 m. G
  @" x1 f" W( f( B! p    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
% @( a$ s% x- y: n, c% k
) U% X- ~' z  G    end；

    end；

! h$ [5 G9 l& k6 f/ ]# ?8 B    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

- K  d. X! X" R) V$ ~" @4 c+ p    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
& Y* Y3 Y1 l" B; F6 s
1 `+ d2 T5 x, Q6 o& t6 G" ~5 T/ S0 I    …

   

7 S2 e. A( c' \, U! S    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1

% F" x) l2 _* t7 m+ C3 C' M    …
; N3 o8 T. T0 K5 y' r3 j: e
) Q# w+ k9 L' C- e   
6 ^9 _: K  j; Z
% E. B" b  e; v    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

   

  X" }$ }8 b* `5 y( h6 N1 h    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。

9 H* j* y6 A8 k& T& G4 f" k   
; q5 I+ u/ o* ?" B3 H
, Y8 S. [# V9 r- X) ]5 w    以下是TestBeneh的核心代码：
6 [: M9 f. a7 P+ M) v2 X
    testprocess：process
% ?9 j6 y4 B5 R
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

( r! ]" [# \" \" |    inp”：一指定测试激励文件
# s+ i1 y- T% c+ z0 U! A( ~" {
" R( {4 T5 d, u    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
' z+ C; ?: D! I/ A; Y% q/ F
. e: W; \) t) ?( \$ d) S) Y5 T" O    一指定仿真结果输出文件
1 d4 |* C$ d( Z8 I9 g$ C* _2 `: [
, K7 s' V* @" w* x2 q- a) T    variable invecs，outvecs：line；
$ M4 z# V" ~! i# {# R- h
    variable good：boolean；

$ K; ~, y$ f$ ]! D    variable eh：eharacter；

7 \# S% g* P, W2 U3 g0 V  x    ……

+ t+ H- v1 l. K, e1 u   

- @# f% n7 j9 i- E    while not endfile(veetor_file)loop

7 Z* g2 A! W8 s$ ?( g4 z    readline(veetor_file．invecs)；一读出测试激励文件一行内容．得到激励

    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
0 b: V: [* h5 m1 T& h
2 n9 H1 m' z" q7 G* l4 E# F6 ?    read(invees，ch)； 一一读取空格

    ……

2 u* y# y- K7 y1 C   

    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy
* Y  r; {* `- {' l
    read(invecs，ch)； 一读取空格

+ b8 }" k5 W* |! K* F    ……
0 J4 d/ l" q# s8 {: k6 l5 R
0 G7 q; U$ V3 {9 ~   

    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

9 O% p' S4 F. Z1 [& J2 {. V    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
1 w, t9 ]" J9 ~" O& p- H' e8 p$ E
4 G( k& Y1 D8 @, Q    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy
+ C# p+ n/ n  @. Q0 Q/ z
    ……
1 r! }- n3 h& j( G( O
$ Z, p  D% ]* t+ r8 u: B   

    caseiis
( h, a9 Q2 Z# k& ?- j: W: W# @
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一将目标0左上角Y坐标写入仿真结果
3 U' c4 I2 E% h8 m. i
7 M9 ~2 G2 `9 R" @# W; [8 u    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一将目标0右下角Y坐标写入仿真结果
* }4 z% T5 ^0 M- L) \3 y; z
) X4 }4 O6 {6 r5 T+ q# Z: s% X* Y    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果
( t' ^7 T$ ]' V8 e6 F/ y
2 d2 \# W+ H( G, x6 `    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果
" h" t9 j+ q1 v( w
$ ^3 }$ T" b" ^$ I) F    when other8=>null；
0 d; O0 {) L. y, f! S
    end case；

& }+ F- c7 t9 i+ u8 t/ W: Z/ m- B    write(outvees，string’(out_string))；

    ……
8 K% C  [% D/ l7 Y. b% _
   

    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

6 r& c5 d. K" Y- |* {   
4 B: h: d, V  A5 x8 N
    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。

   

   

+ q# M, l6 O2 k! N   
& b' b0 f, S6 V: W0 u2 y1 F8 |, ~: H# h
   

    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 Z" G2 H$ ]3 }7 m9 K" a1 v   
% p  K" c3 J/ ~/ c/ T0 N