Verilog testbench总结(一)

「爱情、让人受尽委屈。」 2022-05-20 02:37 266阅读 0赞

1. 激励的产生  
  
对于testbench而言，端口应当和被测试的module一一对应。端口分为input,output和inout类型产生激励信号的时候，input对应的端口应当申明为reg, output对应的端口申明为wire，inout端口比较特殊，下面专门讲解。  
  
1）直接赋值。  
  
一般用initial块给信号赋初值，initial块执行一次，always或者forever表示由事件激发反复执行。  
  
举例，一个module  
  
module exam();  
  
reg rst\_n;  
reg clk;  
reg data;  
  
initial  
begin  
 clk=1'b0;  
 rst=1'b1;  
 \#10  
 rst=1'b0;  
 \#500  
 rst=1'b1;  
end  
  
always  
begin  
 \#10  
 clk=~clk;  
end   
  
大家应该注意到有个\#符号，该符号的意思是指延迟相应的时间单位。该时间单位由timscale决定.一般在testbench的开头定义时间单位和仿真 精度，比如\`timescale 1ns/1ps，前面一个是代表时间单位，后面一个代表仿真时间精度。以上面的例子而言，一个时钟周期是20个单位，也就是20ns。而仿真时间精度的概 念就是，你能看到1.001ns时对应的信号值，而假如timescale 1ns/1ns，1.001ns时候的值就无法看到。对于一个设计而言，时间刻度应该统一，如果设计文件和testbench里面的时间刻度不一致，仿真 器默认以testbench为准。一个较好的办法是写一个global.v文件，然后用include的办法，可以防止这个问题。  
  
对于反复执行的操作，可写成task,然后调用，比如  
  
task load\_count;  
 input \[3:0\] load\_value;  
 begin  
 @(negedge clk\_50);  
 $display($time, " << Loading the counter with %h >>", load\_value);  
 load\_l = 1’b0;  
 count\_in = load\_value;  
 @(negedge clk\_50);  
 load\_l = 1’b1;  
 end  
endtask //of load\_count  
  
initial   
begin  
 load\_count(4’hA); // 调用task  
end  
  
  
其他像forever,for,function等等语句用法类似，虽然不一定都能综合，但是用在testbench里面很方便，大家可以自行查阅参考文档  
  
  
2） 文件输入  
有时候，需要大量的数据输入，直接赋值的话比较繁琐，可以先生成数据，再将数据读入到寄存器中，需要时取出即可。用 $readmemb系统任务从文本文件中读取二进制向量（可以包含输入激励和输出期望值）。$readmemh 用于读取十六进制文件。例如：  
  
reg \[7:0\] mem\[1:256\] // a 8-bit, 256-word 定义存储器mem  
  
initial $readmemh ( "E:/readhex/mem.dat", mem ) // 将.dat文件读入寄存器mem中  
  
initial $readmemh ( "E:/readhex/mem.dat", mem, 128, 1 ) // 参数为寄存器加载数据的地址始终  
  
2. 查看仿真结果  
  
对于简单的module来说，要在modelsim的仿真窗口里面看波形，就用add wave ..命令  
比如，testbench的顶层module名叫tb,要看时钟信号，就用add wave tb.clk  
要查看所有信号的时候，就用 add wave /\*  
当然，也可以在workspace下的sim窗口里面右键单击instance来添加波形  
  
对于复杂的仿真，免不了要记录波形和数据到文件里面去。   
  
1）波形文件记录  
常见的波形文件一般有两种，vcd和fsdb，debussy是个很好的工具，支持fsdb，所以最好是modelsim+debussy的组合  
默认情况下，modelsim不认识fsdb，所以需要先装debussy，再生成fsdb文件。   
  
  
$dumpfile和$dumpvar是verilog语言中的两个系统任务，可以调用这两个系统任务来创建和将指定信息导入VCD文件.  
对于fsdb文件来说，对应的命令是fsdbDumpfile,dumpfsdbvars  
(什么是VCD文件? 答：VCD文件是在对设计进行的仿真过程中，记录各种信号取值变化情况的信息记录文件。EDA工具通过读取VCD格式的文件，显示图形化的仿真波形，所以，可以把VCD文件简单地视为波形记录文件.)下面分别描述它们的用法并举例说明之。  
  
$dumpfile系统任务：为所要创建的VCD文件指定文件名。  
举例（"//"符号后的内容为注释文字）：  
initial  
$dumpfile ("myfile.dump"); //指定VCD文件的名字为myfile.dump，仿真信息将记录到此文件  
  
  
$dumpvar系统任务：指定需要记录到VCD文件中的信号，可以指定某一模块层次上的所有信号，也可以单独指定某一个信号。  
典型语法为$dumpvar(level, module\_name); 参数level为一个整数，用于指定层次数，参数module则指定要记录的模块。整句的意思就是，对于指定的模块，包括其下各个层次(层次数由 level指定)的信号，都需要记录到VCD文件中去。  
  
举例：  
initial  
$dumpvar (0, top); //指定层次数为0，则top模块及其下面各层次的所有信号将被记录  
  
initial  
$dumpvar (1, top); //记录模块实例top以下一层的信号  
//层次数为1，即记录top模块这一层次的信号  
//对于top模块中调用的更深层次的模块实例，则不记录其信号变化  
  
initial  
$dumpvar (2, top); //记录模块实例top以下两层的信号  
//即top模块及其下一层的信号将被记录  
  
假设模块top中包含有子模块module1，而我们希望记录top.module1模块以下两层的信号，则语法举例如下：  
initial  
$dumpvar (2, top.module1); //模块实例top.module1及其下一层的信号将被记录  
  
假设模块top包含信号signal1和signal2(注意是变量而不是子模块), 如我们希望只记录这两个信号，则语法举例如下：  
initial  
$dumpvar (0, top.signal1, top.signal2); //虽然指定了层次数，但层次数是不影响单独指定的信号的  
//即指定层次数和单独指定的信号无关  
  
我们甚至可以在同一个$dumpvar的调用中，同时指定某些层次上的所有信号和某个单独的信号，假设模块top包含信号signal1，同时包含有子模 块module1，如果我们不但希望记录signal1这个独立的信号，而且还希望记录子模块module1以下三层的所有信号，则语法举例如下：  
initial  
$dumpvar (3, top.signal1, top.module1); //指定层次数和单独指定的信号无关  
//所以层次数3只作用于模块top.module1, 而与信号  
  
top.signal1无关  
  
上面这个例子和下面的语句是等效的：  
initial  
begin  
$dumpvar (0, top.signal1);  
$dumpvar (3, top.module1);  
end  
  
$dumpvar的特别用法(不带任何参数)：  
initial  
$dumpvar; //无参数，表示设计中的所有信号都将被记录  
  
  
最后，我们将$dumpfile和$dumpvar这两个系统任务的使用方法在下面的例子中综合说明，假设我们有一个设计实例，名为 i\_design，此设计中包含模块module1，模块module1下面还有很多层次，我们希望对这个设计进行仿真，并将仿真过程中模块 module1及其以下所有层次中所有信号的变化情况，记录存储到名为mydesign.dump的VCD文件中去，则例示如下：  
initial  
begin  
$dumpfile ("mydesign.dump"); //指定VCD文件名为mydesign.dump  
$dumpvar (0, i\_design.module1); //记录i\_design.module1模块及其下面层次中所有模块的所有信号  
end  
  
  
对于生成fsdb文件而言，也是类似的  
  
initial  
 begin  
 $fsdbDumpfile("tb\_xxx.fsdb");  
 $fsdbDumpvars(0,tb\_xxx);   
 end

2）文件输出结果  
  
integer out\_file; // out\_file 是一个文件描述，需要定义为 integer类型  
  
out\_file = $fopen ( " cpu.data " ); // cpu.data 是需要打开的文件，也就是最终的输出文本  
  
设计中的信号值可以通过$fmonitor, $fdisplay,$fwrite  
  
其中$fmonitor只要有变化就一直记录，$fdisplay和$fwrite需要触发条件才记录  
  
  
例子：  
initial begin  
$fmonitor(file\_id, "%m: %t in1=%d o1=%h", $time, in1, o1);  
end  
  
  
always@(a or b)  
begin  
$fwrite(file\_id,"At time%t a=%b b=%b",$realtime,a,b);  
end  
  
  
  
3 testbench的技巧  
  
1）.如果激励中有一些重复的项目，可以考虑将这些语句编写成一个task，这样会给书写和仿真带来很大方便。例如，一个存储器的testbench的激励可以包含write，read等task。  
  
2）.如果DUT中包含双向信号(inout)，在编写testbench时要注意。需要一个reg变量来表示其输入，还需要一个wire变量表示其输出。  
  
3）.如果initial块语句过于复杂，可以考虑将其分为互补相干的几个部分，用数个initial块来描述。在仿真时，这些initial块会并发运行。这样方便阅读和修改。  
  
4）.每个testbench都最好包含$stop语句，用以指明仿真何时结束。  
5）.加载测试向量时，避免在时钟的上下沿变化，比如数据最好在时钟上升沿之前变化，这也符合建立时间的要求。  
  
  
4.一个简单的例子  
  
module counter (clk, reset, enable, count);  
  
input clk, reset, enable;  
output \[3:0\] count;  
reg \[3:0\] count;  
  
always @ (posedge clk)  
if (reset == 1'b1) begin  
count <= 0;  
end else if ( enable == 1'b1) begin  
count <= count + 1;  
end  
  
endmodule  
  
  
  
testbench  
  
module counter\_tb;  
reg clk, reset, enable;  
wire \[3:0\] count;  
  
counter U0 (  
.clk (clk),  
.reset (reset),  
.enable (enable),  
.count (count)  
);  
  
initial begin  
clk = 0;  
reset = 0;  
enable = 0;  
end  
  
always  
\#5 clk = ! clk;  
  
initial begin  
$dumpfile ("counter.vcd");  
$dumpvars;  
end  
  
initial begin  
$display("\\t\\ttime,\\tclk,\\treset,\\tenable,\\tcount");  
$monitor("‰d,\\t‰b,\\t‰b,\\t‰b,\\t‰d",$time, clk,reset,enable,count);  
end  
  
initial  
\#100 $finish;  
  
//Rest of testbench code after this line  
  
endmodule

5 双向端口  
这个我没用过，完全是从网上google的，如果有问题，大家再讨论吧  
  
  
芯片外部引脚很多都使用inout类型的，为的是节省管腿。一般信号线用做总线等双向数据传输的时候就要用到INOUT类型了。就是一个端口同时做输入和 输出。 inout在具体实现上一般用三态门来实现。三态门的第三个状态就是高阻'Z'。当inout端口不输出时，将三态门置高阻。这样信号就不会因为两端同时 输出而出错了,更详细的内容可以搜索一下三态门tri-state的资料.  
1 使用inout类型数据,可以用如下写法:  
inout data\_inout;  
input data\_in;  
reg data\_reg;//data\_inout的映象寄存器  
reg link\_data;  
assign data\_inout=link\_data?data\_reg:1’bz;//link\_data控制三态门  
//对于data\_reg,可以通过组合逻辑或者时序逻辑根据data\_in对其赋值.通过控制link\_data的高低电平,从而设置data\_inout是输出数据还是处于高阻态,如果处于高阻态,则此时当作输入端口使用.link\_data可以通过相关电路来控制.  
2 编写测试模块时,对于inout类型的端口,需要定义成wire类型变量,而其它输入端口都定义成reg类型,这两者是有区别的.  
当上面例子中的data\_inout用作输入时,需要赋值给data\_inout,其余情况可以断开.此时可以用assign语句实现:assign data\_inout=link?data\_in\_t:1’bz;其中的link ,data\_in\_t是reg类型变量,在测试模块中赋值.  
另外,可以设置一个输出端口观察data\_inout用作输出的情况:  
Wire data\_out;  
Assign data\_out\_t=(!link)?data\_inout:1’bz;  
  
else，in RTL  
inout use in top module(PAD)  
dont use inout(tri) in sub module  
也就是说，在内部模块最好不要出现inout，如果确实需要，那么用两个port实现，到顶层的时候再用三态实现。理由是：在非顶层模块用双向口的话，该 双向口必然有它的上层跟它相连。既然是双向口，则上层至少有一个输入口和一个输出口联到该双向口上，则发生两个内部输出单元连接到一起的情况出现，这样在 综合时往往会出错。  
  
对双向口，我们可以将其理解为2个分量：一个输入分量，一个输出分量。另外还需要一个控制信号控制输出分量何时输出。此时，我们就可以很容易地对双向端口建模。  
  
例子：  
CODE:  
module dual\_port (  
....  
inout\_pin,  
....  
);  
  
inout inout\_pin;  
  
wire inout\_pin;  
  
wire input\_of\_inout;  
wire output\_of\_inout;  
wire out\_en;  
  
assign input\_of\_inout = inout\_pin;  
  
assign inout\_pin = out\_en ? output\_of\_inout : 高阻;  
  
endmodule  
  
可见，此时input\_of\_inout和output\_of\_inout就可以当作普通信号使用了。  
  
在仿真的时候，需要注意双向口的处理。如果是直接与另外一个模块的双向口连接，那么只要保证一个模块在输出的时候，另外一个模块没有输出（处于高阻态）就可以了。  
如果是在ModelSim中作为单独的模块仿真，那么在模块输出的时候，不能使用force命令将其设为高阻态，而是使用release命令将总线释放掉  
  
很多初学者在写testbench进行仿真和验证的时候，被inout双向口难住了。仿真器老是提示错误不能进行。下面是我个人对inout端口写 testbench仿真的一些总结，并举例进行说明。在这里先要说明一下inout口在testbench中要定义为wire型变量。  
  
先假设有一源代码为：  
  
module xx(data\_inout , ........);  
  
inout data\_inout;  
  
........................  
  
assign data\_inout=(! link)?datareg:1'bz;  
  
endmodule  
  
方法一：使用相反控制信号inout口，等于两个模块之间用inout双向口互连。这种方法要注意assign 语句只能放在initial和always块内。  
  
module test();  
  
wire data\_inout;  
  
reg data\_reg;  
  
reg link;  
  
initial begin  
  
..........  
  
end  
  
assign data\_inout=link?data\_reg:1'bz;  
  
endmodule  
  
方法二：使用force和release语句，但这种方法不能准确反映双向端口的信号变化，但这种方法可以反在块内。  
  
module test();  
  
wire data\_inout;  
  
reg data\_reg;  
  
reg link;  
  
\#xx; //延时  
  
force data\_inout=1'bx; //强制作为输入端口  
  
...............  
  
\#xx;  
  
release data\_inout; //释放输入端口  
  
endmodule  
  
很多读者反映仿真双向端口的时候遇到困难，这里介绍一下双向端口的仿真方法。一个典型的双向端口如图1所示。  
  
其中inner\_port与芯片内部其他逻辑相连，outer\_port为芯片外部管脚，out\_en用于控制双向端口的方向，out\_en为1时，端口为输出方向，out\_en为0时，端口为输入方向。  
  
用Verilog语言描述如下：  
module bidirection\_io(inner\_port,out\_en,outer\_port);  
input out\_en;  
inout\[7:0\] inner\_port;  
inout\[7:0\] outer\_port;  
assign outer\_port=(out\_en==1)?inner\_port:8'hzz;  
assign inner\_port=(out\_en==0)?outer\_port:8'hzz;  
endmodule  
  
用VHDL语言描述双向端口如下：  
library ieee;  
use IEEE.STD\_LOGIC\_1164.ALL;  
entity bidirection\_io is  
port ( inner\_port : inout std\_logic\_vector(7 downto 0);  
out\_en : in std\_logic;  
outer\_port : inout std\_logic\_vector(7 downto 0) );  
end bidirection\_io;  
architecture behavioral of bidirection\_io is  
begin  
outer\_port<=inner\_port when out\_en='1' else (OTHERS=>'Z');  
inner\_port<=outer\_port when out\_en='0' else (OTHERS=>'Z');  
end behavioral;  
  
仿真时需要验证双向端口能正确输出数据，以及正确读入数据，因此需要驱动out\_en端口，当out\_en端口为1时，testbench驱动 inner\_port端口，然后检查outer\_port端口输出的数据是否正确；当out\_en端口为0时，testbench驱动 outer\_port端口，然后检查inner\_port端口读入的数据是否正确。由于inner\_port和outer\_port端口都是双向端口（在 VHDL和Verilog语言中都用inout定义），因此驱动方法与单向端口有所不同。  
验证该双向端口的testbench结构如图2所示。  
  
这是一个self-checking testbench，可以自动检查仿真结果是否正确，并在Modelsim控制台上打印出提示信息。图中Monitor完成信号采样、结果自动比较的功能。  
testbench的工作过程为  
1）out\_en=1时，双向端口处于输出状态，testbench给inner\_port\_tb\_reg信号赋值，然后读取outer\_port\_tb\_wire的值，如果两者一致，双向端口工作正常。  
2）out\_en=0时，双向端口处于输如状态，testbench给outer\_port\_tb\_reg信号赋值，然后读取inner\_port\_tb\_wire的值，如果两者一致，双向端口工作正常。  
  
用Verilog代码编写的testbench如下，其中使用了自动结果比较，随机化激励产生等技术。  
  
\`timescale 1ns/10ps  
module tb();  
reg\[7:0\] inner\_port\_tb\_reg;  
wire\[7:0\] inner\_port\_tb\_wire;  
reg\[7:0\] outer\_port\_tb\_reg;  
wire\[7:0\] outer\_port\_tb\_wire;  
reg out\_en\_tb;  
integer i;  
  
initial  
begin  
out\_en\_tb=0;  
inner\_port\_tb\_reg=0;  
outer\_port\_tb\_reg=0;  
i=0;  
repeat(20)  
begin  
\#50  
i=$random;  
out\_en\_tb=i\[0\]; //randomize out\_en\_tb  
inner\_port\_tb\_reg=$random; //randomize data  
outer\_port\_tb\_reg=$random;  
end  
end  
  
//\*\*\*\* drive the ports connecting to bidirction\_io  
assign inner\_port\_tb\_wire=(out\_en\_tb==1)?inner\_port\_tb\_reg:8'hzz;  
assign outer\_port\_tb\_wire=(out\_en\_tb==0)?outer\_port\_tb\_reg:8'hzz;  
  
//instatiate the bidirction\_io module  
bidirection\_io bidirection\_io\_inst(.inner\_port(inner\_port\_tb\_wire),  
.out\_en(out\_en\_tb),  
.outer\_port(outer\_port\_tb\_wire));  
  
//\*\*\*\*\* monitor \*\*\*\*\*\*  
always@(out\_en\_tb,inner\_port\_tb\_wire,outer\_port\_tb\_wire)  
begin  
\#1;  
if(outer\_port\_tb\_wire===inner\_port\_tb\_wire)  
begin  
$display("\\n \*\*\*\* time=%t \*\*\*\*",$time);  
$display("OK! out\_en=%d",out\_en\_tb);  
$display("OK! outer\_port\_tb\_wire=%d,inner\_port\_tb\_wire=%d",  
outer\_port\_tb\_wire,inner\_port\_tb\_wire);  
end  
else  
begin  
$display("\\n \*\*\*\* time=%t \*\*\*\*",$time);  
$display("ERROR! out\_en=%d",out\_en\_tb);  
$display("ERROR! outer\_port\_tb\_wire != inner\_port\_tb\_wire" );  
$display("ERROR! outer\_port\_tb\_wire=%d, inner\_port\_tb\_wire=%d",  
outer\_port\_tb\_wire,inner\_port\_tb\_wire);  
end  
end  
endmodule  
  
  
6. 高级用法  
比如pli之类的东西，我也没用过。。。有需要的，大家再讨论  
  
总体感觉，testbench是个很难的事情，这里讨论的只是一些最基本的东西。真正有技术含量的是testcase的设计，设计阶段合理层次设计以及模 块划分等等，我没有做过很大的项目，所以这方面也没有办法提供更多的帮助。经验丰富的大牛不妨出来讲讲经验，^\_^