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标题: TEXTIO及其在VHDL仿真中的应用 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 19:46
标题: TEXTIO及其在VHDL仿真中的应用
TEXTIO 在VHDL 仿真与磁盘文件之间架起了桥梁，使用文本文件扩展VHDL 的仿真功能。本文介绍TEXTIO 程序包，以一个加法器实例说明TEXTIO 的使用方法，最后使用ModelSim 对设计进行仿真，并分析仿真结果。

在对VHDL 源程序进行仿真时，由于有的输入输出关系仅仅靠输入波形或编写testbench 中的信号输入是难以验证结果正确性的，例如，设计8 位加法器，如果将所有的输入都验证一遍，是非常麻烦的，因为要全面判断输出是否正确需要一个个的验证。此外，若用VHDL 设计一个处理器，需要读入指令，这时候采用文本文件非常必要。

TEXTIO 提供了VHDL 仿真时与磁盘文件的交互。在验证加法器时候，可以将所有输入保存在一个文本文件中，将其它软件计算出的结果保存在另外的文件中。在VHDL 仿真时，可以直接读取输入文件作为设计的输入参数，并自动将结果与事先保存的文件相比较，给出一定的信息来确定结果的正确与否。在对VHDL 编写的处理器调试时，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，利用TEXTIO 来读取这些指令。同时，将结果及中间变量保存成文本文件，以事后判断是否正确及便于查找原因。

由于TEXTIO 的文本输入输出功能非常有限，一些公司提供了扩展其功能的程序包，例如std_developerskit库中的std_iopak 程序包。在本文中，仅仅对TEXTIO 程序包做简单的介绍及其简单的使用。

1 TEXTIO介绍

TEXTIO 是VHDL 标准库STD 中的一个程序包（Package）。在该包中定义了三个类型：LINE 类型、TEXT类型以及SIDE 类型。另外，还有一个子类型（subtype）WIDTH。此外，在该程序包中还定义了一些访问文件所必须的过程（Procedure）。

1.1 类型定义

(1)type LINE is access string

定义了LINE 为存取类型的变量，它表示该变量是指向字符串的指针，它是TEXTIO 中所有操作的基本单元。读文件时，先按行（LINE）读出一行数据，再对LINE 操作来读取各种数据类型的数据；写文件时，先将各种的数据类型组合成LINE，再将LINE 写入文件。在用户使用时，必须注意只有变量才可以是存取类型，而信号则不能是存取类型。例如，我们可以定义
variable DLine : LINE;

但不能定义成
signal DLine : LINE;

(2)type TEXT is file of string

定义了TEXT 为ASCII 文件类型。定义成为TEXT 类型的文件是长度可变的ASCII 文件。例如在TEXTIO 中定义了两个标准的文本文件。

file input : TEXT open read_mode isSTD_INPUT；
file output : TEXT open write_mode isSTD_OUTPUT；

定义好以后，就可以通过文件类型变量input 和output 来访问其对应的文件STD _ INPUT 和STD_OUTPUT。
需要注意的是VHDL87 和VHDL93 在使用文件方面有较大的差异，在编译时注意选中对应的标准。

(3)type SIDE is (right,left)
定义了SIDE 类型。表示定义了一个名为SIDE 的数据类型，其中只能有两种状态，即right 和left，分别表示将数据从左边还是右边写入行变量。该类型主要是在TEXTIO 程序包包含的过程中使用。

(4)subtype WIDTH is natural
定义WIDTH 为自然数的子类型。所谓子类型表示其取值范围是父类型范围的子集。

1.2 过程定义

TEXTIO 提供了基本的用于访问文本文件的过程。类似于C＋＋，VHDL 提供了重载功能，即完成相近功能的不同过程可以有相同的过程名，但其参数列表不同，或参数类型不同或参数个数不同。

TEXTIO 提供的基本过程有：

procedure READLINE(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。
procedure WRITELINE(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。
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。
　　
根据参数数据类型及参数个数的不同，有多种重载方式，TEXTIO 提供了bit、bit_vector 、BOOLEAN 、character、　integer、real、string、time数据类型的重载。同时，提供了返回过程是否正确执行的BOOLEAN 数据类型的重载。例如，读取整数的过程为

procedure READ(L:inout LINE; VALUE: out integer; GOOD: out BOOLEAN);其中，GOOD 用于返回过程是否正确执行，若正确执行，则返回TRUE 。
procedure 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，且其值只能为left 或right，位宽表示写入数据时占的位宽。例如：

write(OutLine,OutData,left,2);
表示将变量OutData 写入LINE 变量OutLine 的左边占2 个字节。

2 TEXTIO应用实例

下面以一个简单的8 位加法器来说明TEXTIO 的使用。输入数据为两个8 位的有符号数，输出为9 位的有符号数，以防止溢出。在编写加法器的描述文件时，首先要对两个数进行位的扩展，再进行加法运算。在编写测试文件时，要注意读入数据与得到结果之间相差一个时钟周期。因此，需要在读出的结果与计算的结果之间插入一个时钟周期的等待。

① 生成输入及预定结果文件的C＋＋程序。

我们可以使用VC＋＋、Matlab 等高级软件工具编写生成输入和预定结果文件的程序。由于设定输入为8 位有符号数，　因此，其范围为[-127,127]。C＋＋程序如下：

　　#include iostream.h
　　#include stream.h
　　void main(void){
　　int i,j;
　　ofstreamfsIn(d:\yuproj\modelsim\NineBitAdder2\TestData.dat);
　　ofstreamfsOut(d:\yuproj\modelsim\NineBitAdder2\Result.dat);
　　for(i=-127;i<128;i++) {
　　for(j=-127;j<128;j++) {
　　fsIn< 　　fsOut< 　　}
　　}
　　fsIn.close();
　　fsOut.close();
　　}
在程序中，使用了C＋＋类库iostream.h和fstream.h，主要使用了<< 的输出功能，读者可以参考相应的C＋＋书　籍。运行该程序可以在规定的目录下生成TestData.dat 和Result.dat 两个文本格式的文件。注意，一行输入多个数据时，之间以空格隔开即可。

② 编写的加法器描述如下。
　　
　　libraryieee;
　　useieee.std_logic_1164.all;
　　useieee.std_logic_signed.all;
　　entity Add2In is
　　port( D1 : in std_logic_vector(7 downto 0);
　　D2 : in std_logic_vector(7 downto 0);
　　Q : out std_logic_vector(8 downto 0);
　　Clk: instd_logic);
　　end Add2In;　　
　　architecture A_Add2In of Add2In is
　　begin
　　process(Clk)
　　begin
　　if Clk = ‘1’and Clk’event then
　　Q <= (D1(D1’left) & D1) + (D2(D2’eft) & D2);
　　endif;
　　endprocess;
　　end A_Add2In;

在进行加法前，首先进行位的扩展，再进行加法运算，在时钟的上升沿完成加法运算。

③ 编写测试文件。

在测试程序中，首先读出输入文件的一行内容，再从该行中提取出两个值输入加法器。从预定结果文件中提取出一个值，将加法器计算结果与该值比较，若两者不同则输出警告信息。也可以将输出写入一个文本文件，再比较两个文本文件的异同以获知出错的地方。这里要注意的是要使用TEXTIO 程序包，另外，测试文件实体内的端口为空，相当于一块独立的电路板。使用Component 在其中包含了上面定义的加法器，该独立的电路板所完成的功能是对设计的加法器进行测试。在程序中使用了assert 断言语句，要注意该语句后的表达式或变量为真时不执行后续的输出，为假时执行后续的输出。在程序中，还使用了类型转换函数CONV _ STD _LOGIC_VECTOR （），将整数转换为8 位的标准类型。另外，在程序中定义了变量Dlatch ，该变量的作用是将计算结果与预定结果的比较延迟一个时钟周期，周期地与预定结果比较。

3 仿真结果

在ModelSim 中可以将它们编译仿真，注意在编译时选择语法标准为VHDL93 标准。编译后，可以输入如下的仿真Macro 来执行仿真。

vsim work.tb
该命令将执行仿真work 库中的tb，其中tb 为测试文件的实体名。

add wave -dec *
该命令将所有的信号以十进制添加到波形文件中。

run-all
该命令将使仿真一直执行下去。

输入以上各个命令，仿真结束后会在ModelSim 的提示符下出现如下信息：

# ** Fatal: (vsim-3551) TEXTIO : Read past end of file TestData.dat.
# Time: 2601020ns Iteration: 0 Process:/tb/line__34File: D:/YuProj/ModelSim/NineBitAdder2/NineBitAdder2.vhd
# FatalerroratD:/YuProj/ModelSim/NineBitAdder2/NineBitAdder2.vhd line 41

表示在读完TestData.dat 后，因读空出现错误。其中没有出现程序中所设定的warning ，表示加法器的仿真结果与高级软件得到的预定结果相符合。我们可以改进程序，在其中加入ENDFILE（）函数来判断是否读取到文件的结尾。仿真得到的波形如图1 所示。

若人为地更改Result.dat文件中第9行的－246为100，重新仿真，则出现如下信息：
# ** Warning: Two values are different
# Time: 420 ns Iteration: 0 Instance: /tb
# ** Fatal: (vsim-3551) TEXTIO : Read past end of file TestData.dat.
# Time: 2601020ns Iteration: 0 Process:/tb/line__34File: D:/YuProj/ModelSim/NineBitAdder2/NineBitAdder2.vhd
# FatalerroratD:/YuProj/ModelSim/NineBitAdder2/NineBitAdder2.vhd line 41
#

双击对应的警告信息，可以看到仿真结果与Result.dat 中预定结果不一致的地方。仿真图形如图2所示。

结语

TEXTIO 使得VHDL 的仿真功能有了大的飞跃，在使用VHDL 描述处理器等模型及判断系统对不规则输入的响应时，起到了非常大的作用。本文通过简单的实例，说明了TEXTIO 库及其简单的应用流程。在当前嵌入式系统广泛应用的背景下，将更为需要TEXTIO 的应用。

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