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通过文件读写方式实现Matlab和Modelsim的联合仿真

2019-07-13 18:41发布

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虽然Modelsim的功能非常强大，仿真的波形可以以多种形式进行显示，但是当涉及到数字信号处理的算法的仿真验证的时候，则显得有点不足。而进行数字信号处理是Matlab的强项，不但有大量的关于数字信号处理的函数，而且图形显示功能也很强大，所以在做数字信号处理算法的FPGA验证的时候借助Matlab会大大加快算法验证的速度。
    关于Matlab和Modelsim联合仿真，我从网上看到两种方法，一种是通过Link for Modelsim建立Matlab和Modelsim的联合仿真接口；另一种就是通过文件读写的方式实现Matlab和Modelsim的联合仿真。我没有仔细研究过第一种方法，我大概看了一下，感觉过程比较复杂，不过功能肯定也很强大，网上有一篇关于Link for Modelsim的文章http://space.ednchina.com/Upload/2009/11/16/9e8d0364-20ed-4583-a85e-4d1fc50783a7.rar" target=_blank>，有兴趣的朋友可以去看一看。关于第二种方法，只是通过几个文件读写函数就可以实现了，而且基本可以满足当前仿真的要求，所以这里主要讨论一下我所使用的这种方法，希望能够抛砖引玉吧，因为我也只能算个初学者而已。
   1. Matlab产生数据用作Modelsim仿真
    在FPGA进行算法验证的时候，经常需要输入仿真数据，这些数据可以用FPGA产生，但是如果数据产生过程很复杂的话，需要耗费很大的精力，并且产生的数据的准确性也不能保证。例如，如果要验证一个通信接收机的相关算法，那么我们就需要先产生发送数据，也就是说得先做一个发射机，如果这个过程也由FPGA实现的话，也是一个很复杂的过程。这时候我们就可以借助Matlab，利用Matlab内部自带的各种函数，产生需要的信号，再经过定点化，就作为FPGA接收模块的输入信号了。这样做无疑会节约很多时间和精力。
    下面用一个简单的例子说明如何用Matlab产生的数据用作Modelsim仿真。
    首先利用matlab产生一个周期256点8bit的正弦波数据，然后以16进制形式写入sin.txt文件
          N = 256;
          n = 1:256;
          x = fix(128 + (2^7 - 1) * sin(2*pi*n/N));
          fid = fopen('sin.txt','wt');
          fprintf(fid,'%x ',x);
         fclose(fid);
    下图是截取的产生的数据文件的内容
 
    然后将产生的sin.txt文件复制到Modelsim的工程下，在Verilog文件中先定义一个8bit X 256数组，然后通过$readmemh命令，将文件中的数据读入，相关的Verilog代码如下：
reg [7:0] data_mem[0:255]; //定义一个8bit X 256的数组
initial
    begin
    $readmemh("sin.txt",data_mem); //将sin.txt中的数据读入存储器data_mem
    end
    关于$readmemh的用法可以参见Verilog的参考书，这里就不详细说了。
后面就可以用data_mem作为你的测试数据了。例如可以通过以下代码，将data_mem的数据送给data_out：
always @(posedge clk)
begin
    if(rst)
        begin
        data_out <= 8'd0;
        i <= 8'd0;
        end
    else
        begin
        data_out <= data_mem[i]; //将存储器中的数据输出
        i <= i + 8'd1;
        end
end
    这样利用data_out就可以输出一个正弦波波形，下图是Molesim仿真产生的正弦波波形：
    2. Matlab对Modelsim仿真生成的数据进行分析
        Matlab对Modelsim仿真生成数据的处理也是通过文件读写实现的。即通过Verilog语句，将仿真过程中的某个信号写入文件，然后在Matlab中在把这个文件的数据读出来，就可以在Matlab中进行分析了。
    下图也通过一个简单的例子，说明一下整个过程。
    以下的Verilog语句实现将信号data_out的数据写入data_out.txt文件
    integer w_file;
    initial w_file = $fopen("data_out.txt");
    always @(i)
    begin
        $fdisplay(w_file,"%h",data_out);
        if(i == 8'd255)    //共写入256个数据
            $stop;
    end
    下图是截取的data_out.txt的部分内容：
 
    然后就可以编一小段Matlab的程序将data_out.txt中的数据读取进行分析了。下面一段Matlab的程序是将数据读取，并通过图形显示出数据的波形。
    fid = fopen('data_out.txt','r');
    for i = 1 : 256;
        num(i) = fscanf(fid,'%x', 1);    %这句话的意思是从fid所指的文件以16进制方式读出一个数据。
    end
    fclose(fid);
    plot(num);
    当利用fscanf函数时要注意两点，
    第一：保证读取的数据格式和文件中保存的数据格式是相同的，例如这里文件中保存的格式是十六进制，所以读取的时候也应该以十六进制的形式读出。
    第二：要保证文件中数据的个数和设定的读取的数目（这里是256）保持一致。例如，要将生成文件data_out.txt中多余的换行符去掉（一般最后会多出一行），否则Matlab会将空的行也当做一个数据，从而两个数目不一致，导致Matlab报错。
    下图是Matlab将data_out.txt中的数据读出，并显示出的波形：
 
    当然，有了Matlab这个强大的工具，也就可以很方便的看信号的频谱等信息了。
    另外在说一点，就是关于通过Verilog将数据写入文件有多种方法，上面用的是$fdisplay这个系统函数，当然还有$fmonitor和$fwrite等几个命令，下面简单说一下这几个命令的不同。


  • $fdisplay
    这个命令需要有触发条件，才会把数据写入文件，例如，上例的触发条件就是always(i)，当i变化的时候才写入。每写入一次数据会自动增加一个换行符。

  • $fmonitor
    这个命令不需要触发条件，只要有变化就可以将数据写入文件。例如可以通过以下语句：
    initial $fmonitor(w_file,"%h",data_out);
    这样可以将整个仿真过程产生的data_out数据都写入文件中。

  • $fwrite
    这个命令和$fdisplay基本相同，也是需要触发条件才会写入，不同的是每写入一个数据不会自动添加换行符。例如可以通过以下语句：
    always @(posedge clk)
    begin
        $fwrite(w_file,"%h ",data_out);
    end

    关于这几个命令的详细介绍，大家可以参考Verilog的相关数据。
        简单总结一下上面用到的几个函数：

  • 关于Matlab的函数有：fopen， fscanf，fclose。
  • 关于Modelsim的函数有：$fopen， $fclose，$readmemh，$readmemb，$fmonitor，$fdisplay，$fwrite。

    上面就是我关于Matlab和Modesim进行联合仿真的一些心得，如果大家还有其他更好的方法，希望不吝赐教啊！
    下面是相关的代码，包括Matlab的代码和Verilog的代码。

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