Matlab®インターフェースを使用したVerilogテストベンチの強化

はじめに

MATLABインターフェースは、Active-HDL 7.1のフルバージョンで導入されました。それ以前のバージョンを使用している場合は、Simulinkインターフェースのみ利用可能です。これらの2つのインターフェースの主な違いは、MATLABインターフェースではActive-HDLがコ・シミュレーションプロセスを制御し、必要に応じてMATLABを起動するのに対し、SimulinkインターフェースではMathWorksが起動する点です。Simulinkはコ・シミュレーションプロセスを制御し、必要に応じてActive-HDLを起動します。

Verilogコードレベルで利用可能なMATLABインターフェースには以下の機能が備わっています：

MATLABコマンドの実行(ネイティブとユーザー作成のmファイルの両方)
Active-HDLとMATLAB間で変数の受け渡し
Active-HDLとMATLAB間の配列転送に必要なデータ構造の作成と破棄
Active-HDLとMATLAB間の配列データの高速な受け渡し

MATLABインターフェースによって達成可能な典型的なタスクは以下の通りです：

HDLでは記述が困難な関数の計算
複雑な波形の迅速な生成
シミュレーション結果のポスト処理
シミュレーション結果の高度な可視化

このインターフェースを最大限に活用するには、お使いのコンピュータにMATLABバージョン7(R14)以降をインストールし、COMサーバーとして登録する必要があります(コマンドプロンプトにMATLAB/regserverと入力して登録を実行してください)。

インターフェースへのアクセスの取得

MATLABインターフェースを使用するには、Verilogコードから特別な関数やタスクを呼び出す必要があります（最初のコマンドまたはデータ転送要求が実行されると、MATLABウィンドウが表示されます）。これらの外部ルーチンをコード内で利用可能にするには、環境設定を行う必要があります。最初のコマンドまたはデータ転送要求が実行されると、MATLABのウィンドウが表示されます。

MATLABインターフェースにアクセスする必要があるすべてのモジュールは、Active-HDLのインストール先のBINサブフォルダにあるPLIライブラリlink2ml.dllをリンクしてコンパイルする必要があります。GUIを使用してコンパイルやシミュレーションを実行する場合は、Design|Settings|Verilog PLI Applicationに移動し、aldec_MATLAB_cosim.dllファイルを指定してください。.doスクリプトからコンパイルおよびシミュレーションの初期化を行う場合は、コンパイル (alog) およびシミュレーション (asim) コマンドに以下のスイッチを追加することを忘れないでください：

	-pli "$ALDEC/BIN/aldec_matlab_cosim.dll"

MATLABからのデータインポート

テストベンチで頻繁に役立つ最も簡単なタスクは、MATLABで波形を生成し、その波形データをテストベンチにインポートすることです。以下の例では、適切なライブラリがすでにテストベンチコードに関連付けられ、テストベンチコードから利用可能になっていることを前提としています。

ここでは、以下のパラメータを持つ変調正弦波スティミュラスを生成します：

C搬送波周波数 CFRQ：40
搬送波振幅 AMPL：16383
信号周波数 SFRQ：4
変調深度 DPTH：0.8

このスティミュラスを説明する数式は次のとおりです：

	AMPL*sin(2*pi*CFRQ*t) * (1-DPTH*cos(2*pi*SFRQ*t))

サンプリング周期を1nsと仮定して、MATLABで少なくとも1000個のサンプルを作成し、それらを配列に格納した後、その配列をActive-HDLに転送して、テスト回路(例:デジタルフィルター)の16ビット入力DIに供給する波形を生成したいと考えています。

MATLABでサンプルを生成するには、Active-HDLプロジェクトのSRCフォルダ内にdo_wave.mファイルを作成し、そのファイル内に次の2行を記述する必要があります：

	t = 0:.001:1.024 ;
	sw = fix(AMPL*sin(2*pi*CFRQ*t).*(1-DPTH*cos(2*pi*SFRQ*t))) ;

注記：

最初の行は時間領域ベクトルtを作成し、0から1.024までのすべての値を0.001ステップで格納します
2行目が波形を作成します
MATLAB関数 fixは、引数をゼロに近い方の整数に丸めます
MATLAB演算子.*は、2つの正弦波の要素同士を乗算します（この文脈では、通常の*演算子は行列の乗算を試みようとする）

MATLAB関数の詳細については、MATLABのドキュメントを参照してください。

行と列の構造を区別するため、MATLABの1次元配列は内部的に2次元配列として格納されます（行ベクトルは1×n、列ベクトルはn×1）。この区別は、tおよびsw配列の内部構造にも反映されています。つまり、これらは2次元配列であり第1次元のサイズは1、第2次元のサイズは1025となります。この構造は、Active-HDL環境へのインポート後も維持されます。

Verilogテストベンチには、以下の変数宣言を追加する必要があります：

	integer inp_arr_id;
	reg signed [15:0] stim_arr [1:1025];

注記：

inp_arr_idは、MATLABからインポートされたサンプル配列のIDを保持します
stim_arrは、Verilogにおける波形生成用のサンプルを保存する配列（メモリ）です

スティミュラス生成パラメータの値をMATLABに渡すには、aldec_MATLAB_cosim.dll PLIライブラリから$put_variableタスクを有効にする必要があります：

	$put_variable("AMPL", amplitude);
	$put_variable("CFRQ", carrier_frq);
	$put_variable("SFRQ", signal_frq);
	$put_variable("DPTH", mod_depth);

タスクの最初の引数は、MATLAB変数名を表す文字列です。2つ目の引数は、その変数に割り当てられるべき値です(ここでは、2番目の引数としてVHDL定数を使用しています)。

ヒント:シミュレーション中にMATLAB関連のプロシージャを初めて使用すると、MATLABのアプリケーションを起動します。Microsoft Windowsの一部のkン協では、MATLABの初回起動にかなりの時間がかかります。シミュレーション中にこの一見無反応に見える期間を避けるため、Active-HDLによるシミュレーションを実行する前に、MATLABを起動してすぐに終了することを検討してください。それ以降のMATLA の起動は速くなるはずです。

前述のmファイルを実行し、MATLABで作成したsw配列をインポートするには、タスクを有効にし、aldec_MATLAB_cosim.dll PLIライブラリから関数を呼び出す必要があります：

	$eval_string( "do_wave" );
	inp_arr_id = $ml2hdl( "sw" );

注記：

$eval_stringタスクは、文字列引数として渡されたMATLABコマンドまたはmファイルを実行します
$ml2hdl関数は、文字列引数として渡されたMATLAB配列をインポートし、インポートされた配列の整数識別子を返します

以前にも述べたように、sw配列はインポート後も元の1×1025というサイズを維持します。そのため、インポートされた配列の要素を通常のVerilog配列変数であるstim_arrに転送するには、$get_itemタスクの以下の構文を使用する必要があります：

	for ( i=1; i<1026; i=i+1) begin : m2v
		$get_item( stim_arr[i], 0, inp_arr_id, 1, i );
	end

注記：

stim_arr[i]は、インポートされた配列の1要素が格納されるメモリセルです
0は、転送される値の分数部分の桁数です
inp_arr_idはインポートされた配列の識別子です($ml2hdlによって返されます)
1およびiは、インポートされた配列内における転送された要素の位置を示すインデックスです

作業を完了するには、stim_arrメモリに格納されているサンプルをテスト対象回路の入力へ転送する必要があります：

	for ( i=1; i<1026; i=i+1) begin : v2p
	   DI = stim_arr[i];
	   #1;
	end
	$destroy_array( inp_arr_id );

注記：

$destroy_arrayタスクは、インポートされた配列に割り当てられたメモリを解放します

MATLABへのデータエクスポート

HDLシミュレーターの波形ビューアは強力ですが、時間領域グラフ(波形)に制限されています。その他のグラフを表示したい場合（例えば、テスト対象の回路が生成したデータの高速フーリエ変換など）を表示したい場合は、MATLABが最適なソリューションとなります。

このノートのセクションでは、以下のタスクを行います：

テスト対象回路の出力DOから512サンプルを収集する
エクスポート手順に必要な一時的な1×512配列を作成する
サンプルを一時配列に転送します
一時配列をMatlabにエクスポートします
一時配列をMatlabにエクスポートします
一部の計算結果をHDLシミュレータにインポートする

エクスポートされたデータの処理方法をMATLABに指示するには、デザイン内にdo_fft.mという名前のmファイルを作成し、FFTの計算やグラフ作成を行うMATLABコマンドを記述する必要があります。MATLABコマンドの一覧は以下の通りです：

	Y=fft(smpl,512) ;
	My = sqrt(Y.* conj(Y)) ;
	f = 1000*(0:256)/512 ;
	[MM, MI] = max( My(1:50) );
	MF = f(MI);
	plot(f,My(1:257))
	title('Frequency content of filter output')
	xlabel('frequency (Hz)')
	grid on

注記：

1行目は、512ポイントのFFT（高速フーリエ変換）の計算を行い、その結果を複素数行列Yに格納する
2行目は、Yに格納されたFFT係数の絶対値（振幅）を計算し、行列Myに送信します
3行目は、最終的なグラフに必要な周波数軸の値を計算します。FFTの結果は対称性を持つため、データ点数の半分のみ使用します
4行目および5行目は、先ほど計算した出力信号のスペクトルにおいて、最大パワーを示す周波数を特定します
残りの行では、グラフを作成し、グラフおよび周波数軸へのラベル付け、グリッドの表示を行います

テスト対象の回路の出力のサンプルを格納するには、配列が必要になります。以下に、変数の宣言例を示します：

	reg [15:0] samples [1:512];

テスト対象の回路の特性や検証手順に合わせて、適切なサンプリングコードを記述してください。ここでの唯一の前提条件は、サンプリング周期が1 nsであることです。サンプル配列にデータが格納されたら、MATLABへのエクスポートに進むことができます：

	out_arr_id = $create_array( "smpl", 1, 512); // create temp. array
	// transfer samples to temp. array:
	for ( i=1; i<513; i=i+1)
        $put_item( samples[i], 0, out_arr_id, 1, i );
	$hdl2ml( out_arr_id );                 // send temp. array to Matlab

注記：

out_arr_idは、作成する一時配列の整数識別子です
$create_array関数は、MATLAB上での名前をsmpl、サイズを1×512の2次元配列を作成します
$put_itemは、samples[i]の値を小数部が0の数値をout_arr_id指定された一時配列の要素へ転送するタスクです。この際、インデックスは1およびiで指定されます
$hdl2mlタスクは、out_arr_idで表される一時配列をMATLAB環境にエクスポートします

$hdl2mlタスクは、out_arr_idで表される一時配列をMATLAB環境にエクスポートします：

	$eval_string( "do_fft" );          // request processing
	$get_variable( "MF", fmax );       // read variable from Matlab
	$destroy_array( out_arr_id );      // clean up!

注記：

$get_variableは、第1引数で指定されたMATLABスカラ変数を、第2引数で指定されたVerilog変数にインポートするタスクです

まとめ

このドキュメントで説明したMATLABインターフェースは、MATLABの豊富な数学的機能やグラフ描画機能を活用して、VerilogやVHDLコードの機能を簡単に拡張する方法です。