一种用于FPGA逻辑仿真的数据读写方法

吴斌 刘夏青 车炯晖 张旭洲

摘 要：针对FPGA逻辑设计仿真，提出一种TEXTIO数据读写方法。当测试激励比较大且复杂时，可以用MATLAB仿真产生，测试结果也可以在MATLAB中进行分析，本文给出仿真实例，证明该方法可行精确，为逻辑设计提供极大的方便。

关键词：FPGA；TEXTIO；仿真；MATLAB

近年来，电子设计领域所涉及的算法越来越复杂，导致对FPGA实现的设计要求越来越高，作为逻辑开发的重要环节，仿真能及时发现设计错误，加快设计进度，提高设计可靠性。

本文针对最基本的行为仿真，提出一种仿真信号由TEXTIO文件读写形式的方法，用于复杂系统测试矢量数目较大的逻辑设计。

1 基于TEXTIO的交互仿真方法

在测试矢量非常大时可以用TEXTIO的方法来进行仿真。TEXTIO是VHDL标准库STD中的一个程序包（Package），它提供了VHDL与磁盘文件直接访问的桥梁，可以利用它来读取或写入仿真数据到文件中，TEXTIO的使用是通过testbench来进行的，即在testbench中可以调用TEXTIO进行仿真[ 1 ]。

TEXTIO对文本文件是按行来处理的，TEXTIO程序包中有专门的过程可以读一行或写一行字符串，并且有一个函数检查文件是否结束。

类型LINE是TEXTIO程序包中的基本单元，用于保持将要写到文件的一行字符串或保持从一个文件读取字符串[ 2 ]。一般情况下，该方法用到的过程和函数为readline，read，writeline，write和endfile等。

2 仿真实例

本文将针对欧拉公式这一数学理论进行逻辑设计以及功能仿真验证。

输入信号利用MATLAB仿真产生，假设两信号sig1和sig2频率分别为10MHz和20MHz，取两信号实部和虚部，并将其量化成与逻辑设计输入信号位数相同的二进制BIT量，分别存入4个.txt文本文件中。

在编写testbench过程中，读输入信号的和将写输出信号是本文提出方法的关键。

定义4个文件类型作为输入文件目标，并定义4个变量用来保持从文件读取的行，4个BIT_VECTOR类型的变量用来保持从行读取的值。因为读取的值是BIT_VECTOR，还需要转换为STD_LOGIC_VECTOR类型，可以使用函数TO_STDLOGICVECTOR来实现。

以其中一个变量为例，读输入信号文件部分关键程序为：

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）；

写文件过程也类似，仿真过程中将输出信号输出到2个.txt文件中，部分程序样例为：

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中画出两信号sig1和sig2以及两信号复乘后的频谱，与ISE中复乘逻辑仿真后的频谱结果进行对比分析，仿真图如图1所示。

仿真结果标明，输入信号为10MHz和20MHz的两个复信号在MATLAB中复乘的结果为30MHz的复信号，逻辑设计中复乘后产生的信号也为30MHz的复信号，与预期结果相同。

3 结论

在FPGA逻辑设计中，可以采用TEXTIO方法进行读取测试激励，这些激励也能够在MATLAB中的生成，在测试结束之后我们还能够利用MATLAB进行分析测试结果，从而实现功能验证，为逻辑设计提供极大的方便。

参考文献：

[1] 汤琦，蒋军敏.Xilinx FPGA高级设计及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2] 江思敏.VHDL数字电路及系统设计[M].北京：机械工业出版社，2006.

作者简介：吴斌（1984-），男，蒙古族，内蒙古宁城人，硕士，工程师，主要研究方向：机载计算机技术。