matlab

YShangJ

1 引言

' P: F/ q) P: _5 Q, @   

    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。
4 E2 }" g5 g3 y: t& T3 y" C
" N9 C- S* U, [   

    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。

, O+ c1 W( Q3 g" o0 O) p( M& e   

    2 基于TEXTIO的VlII)L仿真

$ F  L  r% F. m   

    2．1 TEXTIO的功能
- @, t$ Y; M) R, ~6 J
   

    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)。
' O6 F4 n0 j4 k
7 M; i5 z( e$ X2 ?+ C   
: R+ Z# e5 n) \' A. a: ~
0 c' u8 N8 d! n    TEXTIO提供的基本过程有：
1 L% e5 g- f2 B% ?
& l/ E# y3 @5 q  [( |8 V   

    (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；
  I: ?$ W8 y4 d+ n: p4 I( 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；

/ L% S; ]# V2 Q  v" N8 h    (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；
; t% l$ a# |) \; r/ O. @' Q9 J
    (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。

8 m1 J& E  O; ?' \- c   

7 D9 \6 {3 d" m& {) x    2．2 仿真测试方案

   

1 h. z1 X4 d+ ]- Q+ V    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。
/ z. [3 K% \3 O2 P# e- i
   
# ?! M# K/ u+ I* m
' L5 B# G* t& `9 e( |/ n- |   

   

5 ^* i' B7 a3 a1 ^* m    2．3 仿真测试步骤
6 x) J, Y; w' Q* d. k
   
& O& m/ s, G* f% w- n6 N; l
    2．3．1 使用MATLAB生成测试激励文件
/ B$ B7 a( @0 t1 a5 U) 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。

" x' H  g9 C/ ^( J$ E5 ?   

$ B$ O4 U5 B& T    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。
' r/ G$ K- h* @9 i. I4 L$ G; A
  r7 P% o5 W( o' e, r% p8 K; j   
/ x5 O" S- V1 y2 e( {8 G
' Q* k. n) E/ ]& X7 k) j    2．3．2 编写TestBench

$ k& o" u8 b! 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。
; E, q# A: T0 _4 W" W) o: Q% Q
$ n- P& R! K9 w: ]) x   

* o' k5 O% }8 `7 I; `  s: j    2．3.3 在Modelsim中进行仿真
! l2 v( m" n) m4 [  N8 Z
   
7 y( a' c. @# @2 }" K6 B2 E
    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。
1 P- F+ E; [" z8 N9 _
7 `3 g/ N' N; m2 S/ v. _   

2 ~- f& |8 H1 ~    2．3．4 结果分析

   
# M9 A( V3 R  B: C* X8 h4 p
- K4 |; A5 u* w; J( k    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。

! I4 I/ q! W5 p' V% ?1 V   
; N+ @$ V) ^$ W' w! Q7 r9 l# d& L
) w1 G! V4 \7 N2 k) O    3 仿真测试实例

   
4 c( d8 ]5 a) p7 L" m5 E8 g
    3．1 电视图像实时目标捕获单元功能

4 }; ~+ ]; L$ @: d: {  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。

- N! B' ?3 X; |0 Z% _" w   
- D4 @9 L. G* d7 R0 Y* g$ Z
    3．2 需要产生的测试信号及波形

4 X9 C3 `9 ^. p3 `+ w$ T   

# T% g! `; P. u# a( X) w; g    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。
+ X4 i- G2 z: |5 o3 a
   
( h" p* g* v& E. t
5 A) ^; a9 U9 M& x# b7 D, B   
9 |$ R# R0 S) i3 d
    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。

   
' U! X  A6 y# V9 M: i7 f6 w7 G# W
    3．3 测试信号的产生
) b% t' `6 k' T! e/ O
   
. d' }8 W2 k+ [4 N' f3 X
9 q6 w1 ?5 v4 e6 B1 a: I    在MATLAB的开发环境中．通过编程可以生成测试激励文件。

   

    以下是生成测试激励程序的核心代码：
7 D" s( ^1 A5 N4 C( C4 @
    image=imread(‘pic．bmp’)；％读取图像文件

    [YN，XN]=size(image)； ％得到图像大小
8 t$ S8 |3 r" l* z  z6 X- c
    FZ=20； ％晶体振荡器频率(MHz)

' R4 N6 i+ r$ m    ％定义常数 ％对应于图2所示的时序
+ z$ I. z  U5 \) f- [. J
; L6 [* z! F: ~) Y    POSTIME=52．2； ％行正程时间(μ8)
( l; g5 @- [2 L$ g% E
& G0 S7 G' g% c, F5 G. {( Y: w    NEGTIME=11．8； ％行逆程时间(μs)

4 x: L" u1 r- A7 a3 W5 O& M/ k' C    HORTIME=64；％行正逆程总时间
! k8 ~" v1 r' |7 W# x2 h
$ t9 \5 }, \' L- c, d, R    VSYTIME=1615； ％场信号时间(μB)
$ g9 G2 P' K1 M4 H% F7 ]! R
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN； ％行正程时间*晶体振
5 A0 O# m/ d4 q, e
% [* n. K! f2 \    荡器频率，图像X方向分辨率
( P4 P7 G. N' J, A7 j& a: S
    ……
) a  s$ z2 i7 x$ @- |% x$ D+ g; |9 e
6 A4 T. C/ c6 w& D9 p   

2 n" T( \/ c8 ~% j+ M& v" s    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定测试激励文件的文件名称
2 K7 E, X  K3 O7 r( Y6 `3 O
6 T9 s: T# Y9 v    for j=1：1：YN；
" t: U8 |9 s; R# M5 X  j
    yy_j；xx=0；

    for i=l：1：HORTIME*FZ；
/ B7 O, J3 B: b) c
    ％产生行同步激励
8 e9 q2 Q0 f! D3 N3 E7 C2 j
+ k3 v! p# S" M! d* D( e/ L    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
9 c0 G( |9 p, P, _
    hsy=l；

+ I. G: V- _; x% v' o    else
: @& V; K, V( }5 L9 `) k* ^: t6 b
    hsy=0；

    end；
9 X0 T1 w: G2 w% t
6 {: d3 e: s; t- A- L    ％产生像素时钟激励
  {2 m* p, a4 }) K5 f! r7 H
6 J" i) S# d+ ^* n" e# M. [    if clk==1

: c: A; M0 J* @& K: \; A    clk=0；

    else

, S$ R4 m% y( ~- _8 _8 [    clk=l；
7 {" y" m# @# ^
    end；

# M) G1 L  }, ?! t  r    ％产生CCD激励

    if i>NEGTIME*FZ

    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：

    ccd=round(image(yy，xx))；
2 [" \6 X$ {6 m8 S; l
. K: h& d1 l' k" i9 }; |6 J% n! u    else

    ccd=0；
- v9 z. U/ F( @& v6 m9 Z( a' Z5 k
7 T4 K0 Z( n0 x- F, B    end；
. y7 a' x7 V2 A, @& \( H" V& v
! F, [6 k) K% C5 l    ％将激励写入测试激励文件

0 y9 Y$ t5 A3 s    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；

! H* E6 w% @) ~$ k% y    end；

    end；

    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：

- e9 u+ k% T! y5 g9 d9 [    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
' b  q% P# G/ `: j
    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1

1 w8 g* y" E* H" S    …
+ a" Y* T: G  @4 G* o' h
   
2 x$ P9 l8 G. X) ~) l2 d* |% m; s
+ q7 ?$ s( r# G% Z! M    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
8 ~& Q( k! f& m. Q
    …
' R/ L9 G8 \% U( E$ s
   

    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。
/ }, j! l" e1 p
   

    3．4 编写TestBench
) j7 [* a& ^, A3 R! {" ~6 e* e
   

    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。

   

# P, B% x! \# Q& Z    以下是TestBeneh的核心代码：

    testprocess：process

    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．

& D5 m) P$ u; M& L  l! x! Y    inp”：一指定测试激励文件

5 M- v$ X4 i. \% ~, w! V% T    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
4 ^; m0 C. s" ~( j# Y
: b" X/ z* R" ]# G) I6 f0 s    一指定仿真结果输出文件

    variable invecs，outvecs：line；

5 e6 E& {4 [: Z3 c    variable good：boolean；

! P/ E* B4 K5 Y- z" c- m& G$ O1 a    variable eh：eharacter；
/ G0 x, s- }0 c7 O
. s- D/ _* v# {* T4 S! q5 H    ……
: X7 r/ k7 x) v+ D- g" @& a
0 ~+ @0 R; j1 O   

    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

    read(invees，vclk，good)； 一一读取一个值给信号vclk
% `% G. N! {% J% `: A8 |& @
5 y1 s7 ?4 u$ S    read(invees，ch)； 一一读取空格

    ……
3 l" l4 S9 w3 x  x" h% g9 v# @
   

, B, B' S2 R+ n, M2 Q9 ^    read(invees，wBy，good)； 一读取一个值给信号vvsy

- ]; {: d# K' g5 F* E    read(invecs，ch)； 一读取空格

    ……
: T2 B" n' n6 [: ]4 j- J
6 a; u4 n% \6 i) T. k   
7 P2 T! N$ z; G1 H
    clk<=vclk；一驱动待测单元的输入信号clk
! |4 S# h7 V- u1 F3 m0 d! W# O
    ccd<=vced；一驱动待测单元的输入信号ccd
' q9 _1 x  B9 u1 V
    hsy<=vhsy；一驱动待测单元的输入信号hsy
/ s# `9 o* Q: R: O) Y/ X
; T" N% X+ {! Y! N! F8 T4 `    vsy<=wsy；一驱动待测单元的输入信号vsy

    ……

   
3 P# v' B' L- B6 |) z& o
    caseiis

, e2 h' @, I9 t! T2 F9 e    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
2 r/ _/ m. L& |. v% o9 k
( Z$ q( Y4 Y/ L6 b$ Q! ]* G    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一将目标3左上角X坐标写入仿真结果

8 K1 Q- c& J# [$ Z! M8 f8 z    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一将目标3右下角X坐标写入仿真结果

! a. o, E8 D8 c# R    when other8=>null；
7 O8 U5 U# p% C1 G0 Y; C1 S
    end case；
- Q5 ^- R; s3 y. R6 `( Q+ `
) ^1 M2 \0 R7 x% }+ f& n    write(outvees，string’(out_string))；

    ……

% `$ \- X+ P8 y1 ]! q& f  ^   

    3．5 Modelsim中显示的测试波形及测试结果

   
- k8 s9 c* J3 ?6 h8 K
; Q2 S0 S3 a& Y5 c7 j8 s# ^0 z/ m    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。

   
% d7 m2 ^9 W" [+ k: K
( c4 l  ^" J6 }& h9 V: g   

, l: U+ |1 k1 {   

8 p& S1 M0 [2 E2 p: O0 X   
7 [2 S3 [: |# O6 l' p
9 P9 D% R5 w7 `# w* x    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。
7 Z3 m! d$ [- |
3 k# c' q8 K% f8 v