深度学习FPGA实现基础知识19(通过文件读写方式实现Matlab和Modelsim的联合仿真)

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-05-19 10:36 175阅读 0赞

**需求说明：深度学习FPGA实现知识储备**

**来自：[http://blog.sina.com.cn/s/blog\_4df28f050101jbgl.html][http_blog.sina.com.cn_s_blog_4df28f050101jbgl.html]**

**整理来自：时间的诗**

# **写在开始** #

总体思想是现在MATLAB中产生仿真所需要的输入信号，以十六进制形式存放在数据文件中，在modelsim中用vhdl语言编写测试文件，做时序仿真，最后将结果存入另外一个数据文件，最后在matlab中将modelsim的仿真输出文件读入一个数组中，以便可以作图分心，进一步做误差分析。

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\n’,
           
            x);
          
           
         
          
         
         
          
          
           
         
          
         
          
          
           
            
                    fclose(fid);

下图是截取的产生的数据文件的内容

![通过文件读写方式实现Matlab和Modelsim的联合仿真][Matlab_Modelsim]

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
          
           
         
          
         
         
          
          
           
         
          
         
          
          
           
            
               $readmemh(<span class="hljs-string"><span class="hljs-string">"sin.txt"</span></span>,data_mem); <span class="hljs-regexp"><span class="hljs-regexp">//</span></span>将sin.txt中的数据读入存储器data_mem</div></div></li><li><div class="hljs-ln-numbers"><div class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="5"></div></div><div class="hljs-ln-code"><div class="hljs-ln-line">    <span class="hljs-keyword"><span class="hljs-keyword">end</span></span></div></div></li><li><div class="hljs-ln-numbers"><div class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="6"></div></div><div class="hljs-ln-code"><div class="hljs-ln-line">    关于$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'd
           
            0;
          
           
         
          
         
         
          
          
           
         
          
         
          
          
                   
           
            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(<span class="hljs-string"><span class="hljs-string">"data_out.txt"</span></span>);</div></div></li><li><div class="hljs-ln-numbers"><div class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="3"></div></div><div class="hljs-ln-code"><div class="hljs-ln-line">    always @(i)</div></div></li><li><div class="hljs-ln-numbers"><div class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="4"></div></div><div class="hljs-ln-code"><div class="hljs-ln-line">    begin</div></div></li><li><div class="hljs-ln-numbers"><div class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="5"></div></div><div class="hljs-ln-code"><div class="hljs-ln-line">        $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：

![通过文件读写方式实现Matlab和Modelsim的联合仿真][Matlab_Modelsim 1]

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：

![通过文件读写方式实现Matlab和Modelsim的联合仿真][Matlab_Modelsim 2]

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</span><spanstyle="line−height:1.6em;font−family:′宋体′;">这个系统函数，当然还有</span><spanstyle="line−height:1.6em;font−family:′Timesnewroman′;">  f d i s p l a y < / s p a n >< s p a n s t y l e =" l i n e − h e i g h t : 1.6 e m ; f o n t − f a m i l y : ′ 宋 体 ′ ; "> 这 个 系 统 函 数 ， 当 然 还 有 < / s p a n >< s p a n s t y l e =" l i n e − h e i g h t : 1.6 e m ; f o n t − f a m i l y : ′ T i m e s n e w r o m a n ′ ; "> 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\\n”,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</span><span style="line-height:1.6em;font-family:'宋体';">，</span><span style="line-height:1.6em;font-family:'Times new roman';">&nbsp; fopen</span><span style="line-height:1.6em;font-family:'宋体';">，</span><span style="line-height:1.6em;font-family:'Times new roman';">&nbsp; fclose，readmemh</span><spanstyle="line−height:1.6em;font−family:′宋体′;">，</span><spanstyle="line−height:1.6em;font−family:′Timesnewroman′;">  r e a d m e m h < / s p a n >< s p a n s t y l e =" l i n e − h e i g h t : 1.6 e m ; f o n t − f a m i l y : ′ 宋 体 ′ ; "> ， < / s p a n >< s p a n s t y l e =" l i n e − h e i g h t : 1.6 e m ; f o n t − f a m i l y : ′ T i m e s n e w r o m a n ′ ; "> readmemb，fmonitor</span><spanstyle="line−height:1.6em;font−family:′宋体′;">，</span><spanstyle="line−height:1.6em;font−family:′Timesnewroman′;">  f m o n i t o r < / s p a n >< s p a n s t y l e =" l i n e − h e i g h t : 1.6 e m ; f o n t − f a m i l y : ′ 宋 体 ′ ; "> ， < / s p a n >< s p a n s t y l e =" l i n e − h e i g h t : 1.6 e m ; f o n t − f a m i l y : ′ T i m e s n e w r o m a n ′ ; "> 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！

如果是在仿真环境中，就可以用我上面说的方法，将Modelsim仿真过程中生成的波形数据写入文件，然后用Matlab读出，就可以进行分析了。如果是想把通过SignalTap II抓到的波形用Matlab进行分析，也可以将SignalTap II找到的波形用Create SignalTap II list file命令保存下来，然后用Matlab把感兴趣的数据读出来，也可以进行分析，这在riple兄的一篇博文中提到过，你可以看一下这里http://blog.ednchina.com/riple/10833/category.aspx。谢谢你的提醒，我改天把如何把SignalTap II获取的数据用Matlab进行分析总结一下，再和大家分享。

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[Matlab_Modelsim 2]: http://blog.ednchina.com/Upload/Blog/2009/11/16/5ec0cf55-11dd-463c-ba31-777fc71b6058.png