一種用于FPGA邏輯仿真的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方法

吳斌 劉夏青 車(chē)炯暉 張旭洲

摘 要：針對(duì)FPGA邏輯設(shè)計(jì)仿真，提出一種TEXTIO數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方法。當(dāng)測(cè)試激勵(lì)比較大且復(fù)雜時(shí)，可以用MATLAB仿真產(chǎn)生，測(cè)試結(jié)果也可以在MATLAB中進(jìn)行分析，本文給出仿真實(shí)例，證明該方法可行精確，為邏輯設(shè)計(jì)提供極大的方便。

關(guān)鍵詞：FPGA；TEXTIO；仿真；MATLAB

近年來(lái)，電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域所涉及的算法越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，作為邏輯開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)，仿真能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，提高設(shè)計(jì)可靠性。

本文針對(duì)最基本的行為仿真，提出一種仿真信號(hào)由TEXTIO文件讀寫(xiě)形式的方法，用于復(fù)雜系統(tǒng)測(cè)試矢量數(shù)目較大的邏輯設(shè)計(jì)。

1 基于TEXTIO的交互仿真方法

在測(cè)試矢量非常大時(shí)可以用TEXTIO的方法來(lái)進(jìn)行仿真。TEXTIO是VHDL標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)STD中的一個(gè)程序包（Package），它提供了VHDL與磁盤(pán)文件直接訪(fǎng)問(wèn)的橋梁，可以利用它來(lái)讀取或?qū)懭敕抡鏀?shù)據(jù)到文件中，TEXTIO的使用是通過(guò)testbench來(lái)進(jìn)行的，即在testbench中可以調(diào)用TEXTIO進(jìn)行仿真[ 1 ]。

TEXTIO對(duì)文本文件是按行來(lái)處理的，TEXTIO程序包中有專(zhuān)門(mén)的過(guò)程可以讀一行或?qū)懸恍凶址⑶矣幸粋€(gè)函數(shù)檢查文件是否結(jié)束。

類(lèi)型LINE是TEXTIO程序包中的基本單元，用于保持將要寫(xiě)到文件的一行字符串或保持從一個(gè)文件讀取字符串[ 2 ]。一般情況下，該方法用到的過(guò)程和函數(shù)為readline，read，writeline，write和endfile等。

2 仿真實(shí)例

本文將針對(duì)歐拉公式這一數(shù)學(xué)理論進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)以及功能仿真驗(yàn)證。

輸入信號(hào)利用MATLAB仿真產(chǎn)生，假設(shè)兩信號(hào)sig1和sig2頻率分別為10MHz和20MHz，取兩信號(hào)實(shí)部和虛部，并將其量化成與邏輯設(shè)計(jì)輸入信號(hào)位數(shù)相同的二進(jìn)制BIT量，分別存入4個(gè).txt文本文件中。

在編寫(xiě)testbench過(guò)程中，讀輸入信號(hào)的和將寫(xiě)輸出信號(hào)是本文提出方法的關(guān)鍵。

定義4個(gè)文件類(lèi)型作為輸入文件目標(biāo)，并定義4個(gè)變量用來(lái)保持從文件讀取的行，4個(gè)BIT_VECTOR類(lèi)型的變量用來(lái)保持從行讀取的值。因?yàn)樽x取的值是BIT_VECTOR，還需要轉(zhuǎn)換為STD_LOGIC_VECTOR類(lèi)型，可以使用函數(shù)TO_STDLOGICVECTOR來(lái)實(shí)現(xiàn)。

以其中一個(gè)變量為例，讀輸入信號(hào)文件部分關(guān)鍵程序?yàn)椋?/p>

FILE in_file1：TEXT IS IN"E：/signal/data1_I.txt"；

VARIABLE in_line1：LINE；

VARIABLE int_val1：BIT_VECTOR（13 downto 0）；

while not（endfile（in_file1））loop

readline（in_file1，in_line1）；

read（in_line1，int_val1）；

io_i<=to_stdlogicvector（int_val1）；

寫(xiě)文件過(guò)程也類(lèi)似，仿真過(guò)程中將輸出信號(hào)輸出到2個(gè).txt文件中，部分程序樣例為：

FILE out_file1：TEXT IS OUT"E： /signal/sig_I_new.txt"；

VARIABLE out_line1：LINE；

write（out_line1，to_bitvector（out_i））；

writeline（out_file1，out_line1）；

在MATLAB中畫(huà)出兩信號(hào)sig1和sig2以及兩信號(hào)復(fù)乘后的頻譜，與ISE中復(fù)乘邏輯仿真后的頻譜結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，仿真圖如圖1所示。

仿真結(jié)果標(biāo)明，輸入信號(hào)為10MHz和20MHz的兩個(gè)復(fù)信號(hào)在MATLAB中復(fù)乘的結(jié)果為30MHz的復(fù)信號(hào)，邏輯設(shè)計(jì)中復(fù)乘后產(chǎn)生的信號(hào)也為30MHz的復(fù)信號(hào)，與預(yù)期結(jié)果相同。

3 結(jié)論

在FPGA邏輯設(shè)計(jì)中，可以采用TEXTIO方法進(jìn)行讀取測(cè)試激勵(lì)，這些激勵(lì)也能夠在MATLAB中的生成，在測(cè)試結(jié)束之后我們還能夠利用MATLAB進(jìn)行分析測(cè)試結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)功能驗(yàn)證，為邏輯設(shè)計(jì)提供極大的方便。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯琦，蔣軍敏.Xilinx FPGA高級(jí)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 江思敏.VHDL數(shù)字電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：吳斌（1984-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古寧城人，碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)。