摘要：在基于FPGA的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的仿真測試中，設(shè)計(jì)者常常面臨各種挑戰(zhàn)。以數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的仿真為例。如果采用完備性仿真測試方法，那么測試矢量的數(shù)量將是非常巨大的；如果采用常規(guī)方法．不僅效率不高．而且可能無法達(dá)到仿真測試的目的。針對(duì)這個(gè)難題，提出一種進(jìn)行仿真測試的新方法．該方法應(yīng)用TEXTIO和MATLAB來輔助仿真測試過程，使問題得到較好的解決。以電視圖像實(shí)時(shí)多目標(biāo)捕獲單元的仿真測試為例。全面、細(xì)致地討論這種新方法。
關(guān) 鍵 詞：TEXTIO；MATLAB；TestBench；仿真；測試激勵(lì)
中圖分類號(hào)：TN707 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：。1006—6977(2006)01—0004—04

1 引言
    在對(duì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試時(shí)，設(shè)計(jì)者常常面對(duì)測試向量數(shù)量龐大而難以實(shí)現(xiàn)的問題。以數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的仿真測試為例，如果采用完備性測試方法．那么所需測試向量的數(shù)量將非常巨大，甚至無法實(shí)現(xiàn)：而采用測試向量波形圖或者用HDL語言描述等常用方法．不僅仿真測試工作的效率低下，而且工作量巨大。在數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中，一幀320x240的數(shù)字圖像所產(chǎn)生的測試向量數(shù)量達(dá)到320x240x2=153 600個(gè)。無論采用完備性測試方法還是向量波形圖或者．HDL語言描述的方法，由于測試向量的數(shù)量極其巨大，采用這些方法都難以進(jìn)行仿真測試。

    針對(duì)這個(gè)難題，筆者提出一種進(jìn)行仿真測試的新方法．該方法應(yīng)用TEXTI0和：MATLAB來輔助仿真測試過程．使測試向量數(shù)量巨大、難以處理的難題得到很好的解決。以電視視頻系統(tǒng)中實(shí)時(shí)多目標(biāo)捕獲單元的仿真測試為例．對(duì)這種新方法進(jìn)行全面的討論。

2 基于TEXTIO的VlII)L仿真
2．1 TEXTIO的功能
    TEXXTl0是VHDL標(biāo)準(zhǔn)庫STD中的程序包(Package)，它提供了VHDL與磁盤文件直接訪問的橋梁。TEXTIO定義了3種類型：LINE類型、TEXT類型及SIDE類型。TEXTI0在程序包中定義了一些訪問文件的過程(Procedure)。

    TEXTIO提供的基本過程有：
    (1)procedure READLNE(文件變量，行變量)，用于從指定文件讀取一行數(shù)據(jù)到行變量中；
    (2)procedure WRITELNE(文件變量，行變量)，用于向指定文件寫入行變量所包含的數(shù)據(jù)；
    (3)procedure READ(行變量，數(shù)據(jù)類型)，用于從行變量中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)．根據(jù)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型及參數(shù)個(gè)數(shù)的不同．有多種重載方式，TEX-TIO提供了bit、bit、bit_vector、BOOLEAN、character、in-teger、real、string、time數(shù)據(jù)類型的重載；
    (4)mcedure WRITE(行變量，數(shù)據(jù)變量，寫入方式，位寬)，該過程將數(shù)據(jù)寫入行變量。其中，寫入方式表示寫在行變量的左邊還是右邊，其值只能為left或right，位寬表示寫入數(shù)據(jù)時(shí)占的位寬。例如write(Oufljne，OutData,left,2／表示將變量OutData寫入LINE 變量OutLine的左邊，占2個(gè)字節(jié)。

2．2  仿真測試方案
    使用TEXTO和MNTLAB輔助TestBench進(jìn)行復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)仿真的方案框圖如圖1所示。

2．3  仿真測試步驟
2．3．1  使用MATLAB生成測試激勵(lì)文件
    MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)的縮寫，是1984年MathWorks公司推出的軟件。經(jīng)過20多年的發(fā)展，MATLAB已成為通用科技計(jì)算、圖視交互系統(tǒng)和程序語言,廣泛應(yīng)用于研究和解決各種具體工程問題。

    在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)仿真中，用戶可以利用MAT-LAB的強(qiáng)大處理功能生成測試激勵(lì)文件。測試激勵(lì)文件的數(shù)據(jù)格式由設(shè)計(jì)者自行定義。測試激勵(lì)文件應(yīng)包含輸入信號(hào)的測試激勵(lì)數(shù)據(jù)．也可以包含輸出信號(hào)的期望輸出數(shù)據(jù)．這些內(nèi)容常常以．ASCII碼表示。

2．3．2  編寫TestBench
    TestBench是測試平臺(tái)程序。TEXTI0的使用是通過TestBench來進(jìn)行的,TestBench利用TEXTIO讀取測試激勵(lì)文件或?qū)懭敕抡娼Y(jié)果輸出。進(jìn)行復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)仿真時(shí),用戶根據(jù)測試的目的和要求設(shè)計(jì)TestBench。

2．3.3  在Modelsim中進(jìn)行仿真
    Modelsim是Model Technology(Mentor Graphics的子公司)的HDL(Hardware Description Language)仿真軟件。可以實(shí)現(xiàn)VHDL、Verilog及VHDL一Ver-ilog混合設(shè)計(jì)的仿真。Modelsim為’TestBench提供一種良好的HDL仿真環(huán)境。

2．3．4  結(jié)果分析
    仿真結(jié)束后，仿真結(jié)果是否符合要求，用戶可以通過二種方法來判斷。一種是應(yīng)用軟件自動(dòng)判斷。即通過TestBench或其他軟件(如MATLAB)對(duì)仿真輸出結(jié)果和期望輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而得到分析結(jié)果：另外一種是人工判斷．即設(shè)計(jì)者自行對(duì)仿真輸出結(jié)果和期望輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而得到分析結(jié)果。

3  仿真測試實(shí)例
3．1  電視圖像實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲單元功能
    電視圖像實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲單元(以下簡稱待測單元)具有對(duì)電視圖像中的目標(biāo)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲的功能。本例將用TEXllO和MATLAB輔助Test-Bench對(duì)待測單元進(jìn)行仿真測試。

3．2  需要產(chǎn)生的測試信號(hào)及波形
    待測單元輸入信號(hào)的時(shí)序如圖2所示。其中，clk、vsy、hsy和ccd分別代表像素時(shí)鐘、數(shù)字化后的場同步、行同步和二值圖像信號(hào)。

    用戶設(shè)計(jì)的測試激勵(lì)信號(hào)即測試激勵(lì)文件中輸入信號(hào)的激勵(lì)數(shù)據(jù),應(yīng)符合圖2所示時(shí)序的要求。

3．3  測試信號(hào)的產(chǎn)生
    在MATLAB的開發(fā)環(huán)境中．通過編程可以生成測試激勵(lì)文件。
    以下是生成測試激勵(lì)程序的核心代碼：
    image=imread(‘pic．bmp’)；        ％讀取圖像文件
    [YN，XN]=size(image)；              ％得到圖像大小
    FZ=20；                             ％晶體振蕩器頻率(MHz)
    ％定義常數(shù)                          ％對(duì)應(yīng)于圖2所示的時(shí)序
    POSTIME=52．2；                     ％行正程時(shí)間(μ8)
    NEGTIME=11．8；                     ％行逆程時(shí)間(μs)
    HORTIME=64；                        ％行正逆程總時(shí)間
    VSYTIME=1615；                      ％場信號(hào)時(shí)間(μB)
    PPDOT=POSTIME*FZ／XN；              ％行正程時(shí)間*晶體振
    蕩器頻率，圖像X方向分辨率
    ……

    fid=fopen(‘TestVectors．inp’，‘W’) ；％指定測試激勵(lì)文件的文件名稱
    for j=1：1：YN；
    yy_j；xx=0；
    for i=l：1：HORTIME*FZ；
    ％產(chǎn)生行同步激勵(lì)
    if(i<(HFNTIME+HDLTIME)*FZ)(i>(HFNTIME+HDLTIME+HSYTIME)*FZ)
    hsy=l；
else
    hsy=0；
end；
％產(chǎn)生像素時(shí)鐘激勵(lì)
if  clk==1
    clk=0；
else
    clk=l；
end；
％產(chǎn)生CCD激勵(lì)
if i>NEGTIME*FZ
    xx=round((i-NEGTIME*FZ)／PPDOT+0．45)：
    ccd=round(image(yy，xx))；
else
    ccd=0；
end；
    ％將激勵(lì)寫入測試激勵(lì)文件
    fprintf md．‘％d％d％d％d％d％d、Il’，clk，ccd，hsy，vsy)；
    end；
end；
    產(chǎn)生的測試激勵(lì)文件名稱為TestVectors．inp，激勵(lì)內(nèi)容以ASCII碼表示，信號(hào)之間用空格隔開，且一行代表一次激勵(lì)。下面是測試激勵(lì)文件中的一段內(nèi)容，激勵(lì)包含clk，ccd，hsy，vsy 4個(gè)信號(hào)：
    0 0 1 1—clk=0 eed=0 hsy=l vsy=l
    1 0 1 1—clk=l ccd=0 hsy=l vsy=1
    …

    0 0 0 1——clk=O ccd=0 hsy=0 vsy=1
    …    

    進(jìn)行仿真時(shí)。TestBeneh應(yīng)用TEXTIO通過逐行讀取測試激勵(lì)文件得到待測單元輸入信號(hào)的激勵(lì)。

3．4  編寫TestBench
    TestBench調(diào)用TEXTIO讀取測試激勵(lì)文件得到激勵(lì)，然后將這些激勵(lì)分別驅(qū)動(dòng)到待測單元的輸入端口。同時(shí)，TestBench讀取待測單元的輸出結(jié)果，調(diào)用TEXTIO將仿真輸出結(jié)果寫入文件名稱為Re-sult．out的仿真結(jié)果輸出文件。

    以下是TestBeneh的核心代碼：
    testprocess：process
    file vector_file：text open read_mode is“TestVectors．
    inp”：一指定測試激勵(lì)文件
    file output_file：text open write_mode is“Reset．out”：
    一指定仿真結(jié)果輸出文件
    variable invecs，outvecs：line；
    variable good：boolean；
    variable eh：eharacter；
    ……

    while not endfile(veetor_file)loop
    readline(veetor_file．invecs)；一讀出測試激勵(lì)文件一行內(nèi)容．得到激勵(lì)
    read(invees，vclk，good)； 一一讀取一個(gè)值給信號(hào)vclk
    read(invees，ch)； 一一讀取空格
    ……

    read(invees，wBy，good)； 一讀取一個(gè)值給信號(hào)vvsy
    read(invecs，ch)； 一讀取空格
    ……

    clk<=vclk；一驅(qū)動(dòng)待測單元的輸入信號(hào)clk
    ccd<=vced；一驅(qū)動(dòng)待測單元的輸入信號(hào)ccd
    hsy<=vhsy；一驅(qū)動(dòng)待測單元的輸入信號(hào)hsy
    vsy<=wsy；一驅(qū)動(dòng)待測單元的輸入信號(hào)vsy
    ……

    caseiis
    when 0=>out_string：=“frame_Yup0：”：一將目標(biāo)0左上角Y坐標(biāo)寫入仿真結(jié)果
    when 1=>out_string=“frame_Ydn0：”：一將目標(biāo)0右下角Y坐標(biāo)寫入仿真結(jié)果
    when 14=>out_strlng：=“frame_Xli3：”：一將目標(biāo)3左上角X坐標(biāo)寫入仿真結(jié)果
    when 15=>out_string：=“frame_Xrt3：”：一將目標(biāo)3右下角X坐標(biāo)寫入仿真結(jié)果
    when other8=>null；
    end case；
    write(outvees，string’(out_string))；
    ……

3．5 Modelsim中顯示的測試波形及測試結(jié)果
    在Modelsim提供的HDL仿真環(huán)境中，運(yùn)行TestBeneh進(jìn)行仿真測試，得到測試向量波形(如圖3所示)、仿真波形(如圖4所示)和仿真輸出結(jié)果文件ResuIt．out。對(duì)仿真輸出結(jié)果進(jìn)行分析表明，仿真輸出的目標(biāo)位置與輸入電視圖像中的目標(biāo)位置完全一致。

    本例的結(jié)果分析是通過人工對(duì)比進(jìn)行的。還可以將仿真預(yù)期輸出結(jié)果保存在測試激勵(lì)文件或其他文件中．TestBench調(diào)用TEXTIO讀取仿真預(yù)期輸出結(jié)果．并和仿真實(shí)際輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，然后自動(dòng)判斷結(jié)果是否正確。在某些場合下，例如對(duì)VHDL編寫的處理器進(jìn)行仿真調(diào)試時(shí)，用戶可以將包括指令類型、源地址、目標(biāo)地址在內(nèi)的指令保存成文本文件。TestBench調(diào)用TEXTIO讀取這些指令。同時(shí)．TestBeneh調(diào)用TEXTIO將結(jié)果及中間變量保存成文本文件，以便設(shè)計(jì)者事后分析和查找問題的原因。

4  結(jié)束語
    TEXTIO程序包使VHDL的仿真功能得到拓展。MATLAB是研究和解決工程問題的有力工具。在基于FPGA的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的仿真測試中，靈活應(yīng)用TEXTIO和MATLAB等工具包能很好地解決仿真測試中面臨的測試向量龐大和難以處理的問題。