FPGA中測試文件編寫中的激勵仿真

大家好，又到了每日學(xué)習(xí)的時間了，今天我們來聊一聊FPGA中測試文件編寫的相關(guān)知識，聊一聊激勵仿真。

? 1. 激勵的產(chǎn)生

對于testbench而言，端口應(yīng)當(dāng)和被測試的module一一對應(yīng)。端口分為input，output和inout類型產(chǎn)生激勵信號的時候，input對應(yīng)的端口應(yīng)當(dāng)申明為reg， output對應(yīng)的端口申明為wire，inout端口比較特殊，下面專門講解。

1）直接賦值。

一般用initial塊給信號賦初值，initial塊執(zhí)行一次，always或者forever表示由事件激發(fā)反復(fù)執(zhí)行。

舉例，一個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

大家應(yīng)該注意到有個#符號，該符號的意思是指延遲相應(yīng)的時間單位。該時間單位由timscale決定。一般在testbench的開頭定義時間單位和仿真 精度，比如`timescale 1ns/1ps，前面一個是代表時間單位，后面一個代表仿真時間精度。以上面的例子而言，一個時鐘周期是20個單位，也就是20ns。而仿真時間精度的概 念就是，你能看到1.001ns時對應(yīng)的信號值，而假如timescale 1ns/1ns，1.001ns時候的值就無法看到。對于一個設(shè)計而言，時間刻度應(yīng)該統(tǒng)一，如果設(shè)計文件和testbench里面的時間刻度不一致，仿真 器默認以testbench為準。一個較好的辦法是寫一個global.v文件，然后用include的辦法，可以防止這個問題。

對于反復(fù)執(zhí)行的操作，可寫成task，然后調(diào)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）; // 調(diào)用task

end

其他像forever，for，function等等語句用法類似，雖然不一定都能綜合，但是用在testbench里面很方便，大家可以自行查閱參考文檔

2） 文件輸入

有時候，需要大量的數(shù)據(jù)輸入，直接賦值的話比較繁瑣，可以先生成數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)讀入到寄存器中，需要時取出即可。用 $readmemb系統(tǒng)任務(wù)從文本文件中讀取二進制向量（可以包含輸入激勵和輸出期望值）。$readmemh 用于讀取十六進制文件。例如：

reg ［7:0］ mem［1:256］ // a 8-bit， 256-word 定義存儲器mem

initial $readmemh （ “E:/readhex/mem.dat”， mem ） // 將.dat文件讀入寄存器mem中

initial $readmemh （ “E:/readhex/mem.dat”， mem， 128， 1 ） // 參數(shù)為寄存器加載數(shù)據(jù)的地址始終

2. 查看仿真結(jié)果

對于簡單的module來說，要在modelsim的仿真窗口里面看波形，就用add wave 。.命令

比如，testbench的頂層module名叫tb，要看時鐘信號，就用add wave tb.clk

要查看所有信號的時候，就用 add wave /*

當(dāng)然，也可以在workspace下的sim窗口里面右鍵單擊instance來添加波形

對于復(fù)雜的仿真，免不了要記錄波形和數(shù)據(jù)到文件里面去。

1）波形文件記錄

常見的波形文件一般有兩種，vcd和fsdb，debussy是個很好的工具，支持fsdb，所以最好是modelsim+debussy的組合

默認情況下，modelsim不認識fsdb，所以需要先裝debussy，再生成fsdb文件。

$dumpfile和$dumpvar是verilog語言中的兩個系統(tǒng)任務(wù)，可以調(diào)用這兩個系統(tǒng)任務(wù)來創(chuàng)建和將指定信息導(dǎo)入VCD文件。

對于fsdb文件來說，對應(yīng)的命令是fsdbDumpfile，dumpfsdbvars

（什么是VCD文件？ 答：VCD文件是在對設(shè)計進行的仿真過程中，記錄各種信號取值變化情況的信息記錄文件。EDA工具通過讀取VCD格式的文件，顯示圖形化的仿真波形，所以，可以把VCD文件簡單地視為波形記錄文件。）下面分別描述它們的用法并舉例說明之。

$dumpfile系統(tǒng)任務(wù)：為所要創(chuàng)建的VCD文件指定文件名。

舉例（“//”符號后的內(nèi)容為注釋文字）：

initial

$dumpfile （“myfile.dump”）; //指定VCD文件的名字為myfile.dump，仿真信息將記錄到此文件

$dumpvar系統(tǒng)任務(wù)：指定需要記錄到VCD文件中的信號，可以指定某一模塊層次上的所有信號，也可以單獨指定某一個信號。

典型語法為$dumpvar（level， module_name）; 參數(shù)level為一個整數(shù)，用于指定層次數(shù)，參數(shù)module則指定要記錄的模塊。整句的意思就是，對于指定的模塊，包括其下各個層次（層次數(shù)由 level指定）的信號，都需要記錄到VCD文件中去。

舉例：

initial

$dumpvar （0， top）; //指定層次數(shù)為0，則top模塊及其下面各層次的所有信號將被記錄

initial

$dumpvar （1， top）; //記錄模塊實例top以下一層的信號

//層次數(shù)為1，即記錄top模塊這一層次的信號

//對于top模塊中調(diào)用的更深層次的模塊實例，則不記錄其信號變化

initial

$dumpvar （2， top）; //記錄模塊實例top以下兩層的信號

//即top模塊及其下一層的信號將被記錄

假設(shè)模塊top中包含有子模塊module1，而我們希望記錄top.module1模塊以下兩層的信號，則語法舉例如下：

initial

$dumpvar （2， top.module1）; //模塊實例top.module1及其下一層的信號將被記錄

假設(shè)模塊top包含信號signal1和signal2（注意是變量而不是子模塊）， 如我們希望只記錄這兩個信號，則語法舉例如下：

initial

$dumpvar （0， top.signal1， top.signal2）; //雖然指定了層次數(shù)，但層次數(shù)是不影響單獨指定的信號的

//即指定層次數(shù)和單獨指定的信號無關(guān)

我們甚至可以在同一個$dumpvar的調(diào)用中，同時指定某些層次上的所有信號和某個單獨的信號，假設(shè)模塊top包含信號signal1，同時包含有子模 塊module1，如果我們不但希望記錄signal1這個獨立的信號，而且還希望記錄子模塊module1以下三層的所有信號，則語法舉例如下：

initial

$dumpvar （3， top.signal1， top.module1）; //指定層次數(shù)和單獨指定的信號無關(guān)

//所以層次數(shù)3只作用于模塊top.module1， 而與信號

top.signal1無關(guān)

上面這個例子和下面的語句是等效的：

initial

begin

$dumpvar （0， top.signal1）;

$dumpvar （3， top.module1）;

end

$dumpvar的特別用法（不帶任何參數(shù)）：

initial

$dumpvar; //無參數(shù)，表示設(shè)計中的所有信號都將被記錄

最后，我們將$dumpfile和$dumpvar這兩個系統(tǒng)任務(wù)的使用方法在下面的例子中綜合說明，假設(shè)我們有一個設(shè)計實例，名為 i_design，此設(shè)計中包含模塊module1，模塊module1下面還有很多層次，我們希望對這個設(shè)計進行仿真，并將仿真過程中模塊 module1及其以下所有層次中所有信號的變化情況，記錄存儲到名為mydesign.dump的VCD文件中去，則例示如下：

initial

begin

$dumpfile （“mydesign.dump”）; //指定VCD文件名為mydesign.dump

$dumpvar （0， i_design.module1）; //記錄i_design.module1模塊及其下面層次中所有模塊的所有信號

end

對于生成fsdb文件而言，也是類似的

initial

begin

$fsdbDumpfile（“tb_xxx.fsdb”）;

$fsdbDumpvars（0，tb_xxx）;

end

2）文件輸出結(jié)果

integer out_file; // out_file 是一個文件描述，需要定義為 integer類型

out_file = $fopen （ “ cpu.data ” ）; // cpu.data 是需要打開的文件，也就是最終的輸出文本

設(shè)計中的信號值可以通過$fmonitor， $fdisplay，$fwrite

其中$fmonitor只要有變化就一直記錄，$fdisplay和$fwrite需要觸發(fā)條件才記錄

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）。如果激勵中有一些重復(fù)的項目，可以考慮將這些語句編寫成一個task，這樣會給書寫和仿真帶來很大方便。例如，一個存儲器的testbench的激勵可以包含write，read等task。

2）。如果DUT中包含雙向信號（inout），在編寫testbench時要注意。需要一個reg變量來表示其輸入，還需要一個wire變量表示其輸出。

3）。如果initial塊語句過于復(fù)雜，可以考慮將其分為互補相干的幾個部分，用數(shù)個initial塊來描述。在仿真時，這些initial塊會并發(fā)運行。這樣方便閱讀和修改。

4）。每個testbench都最好包含$stop語句，用以指明仿真何時結(jié)束。

5）。加載測試向量時，避免在時鐘的上下沿變化，比如數(shù)據(jù)最好在時鐘上升沿之前變化，這也符合建立時間的要求。

4.一個簡單的例子

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（“ time， clk， reset， enable， count”）;

$monitor（“‰d， ‰b， ‰b， ‰b， ‰d”，$time， clk，reset，enable，count）;

end

initial

#100 $finish;

//Rest of testbench code after this line

endmodule

5 雙向端口

芯片外部引腳很多都使用inout類型的，為的是節(jié)省管腿。一般信號線用做總線等雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候就要用到INOUT類型了。就是一個端口同時做輸入和 輸出。inout在具體實現(xiàn)上一般用三態(tài)門來實現(xiàn)。三態(tài)門的第三個狀態(tài)就是高阻‘Z’。當(dāng)inout端口不輸出時，將三態(tài)門置高阻。這樣信號就不會因為兩端同時 輸出而出錯了，更詳細的內(nèi)容可以搜索一下三態(tài)門tri-state的資料。

1 使用inout類型數(shù)據(jù)，可以用如下寫法：

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控制三態(tài)門

//對于data_reg，可以通過組合邏輯或者時序邏輯根據(jù)data_in對其賦值。通過控制link_data的高低電平，從而設(shè)置data_inout是輸出數(shù)據(jù)還是處于高阻態(tài)，如果處于高阻態(tài)，則此時當(dāng)作輸入端口使用.link_data可以通過相關(guān)電路來控制。

2 編寫測試模塊時，對于inout類型的端口，需要定義成wire類型變量，而其它輸入端口都定義成reg類型，這兩者是有區(qū)別的。

當(dāng)上面例子中的data_inout用作輸入時，需要賦值給data_inout，其余情況可以斷開。此時可以用assign語句實現(xiàn)：assign data_inout=link？data_in_t:1’bz;其中的link ，data_in_t是reg類型變量，在測試模塊中賦值。

另外，可以設(shè)置一個輸出端口觀察data_inout用作輸出的情況：

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

也就是說，在內(nèi)部模塊最好不要出現(xiàn)inout，如果確實需要，那么用兩個port實現(xiàn)，到頂層的時候再用三態(tài)實現(xiàn)。理由是：在非頂層模塊用雙向口的話，該 雙向口必然有它的上層跟它相連。既然是雙向口，則上層至少有一個輸入口和一個輸出口聯(lián)到該雙向口上，則發(fā)生兩個內(nèi)部輸出單元連接到一起的情況出現(xiàn)，這樣在 綜合時往往會出錯。

對雙向口，我們可以將其理解為2個分量：一個輸入分量，一個輸出分量。另外還需要一個控制信號控制輸出分量何時輸出。此時，我們就可以很容易地對雙向端口建模。

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

可見，此時input_of_inout和output_of_inout就可以當(dāng)作普通信號使用了。

在仿真的時候，需要注意雙向口的處理。如果是直接與另外一個模塊的雙向口連接，那么只要保證一個模塊在輸出的時候，另外一個模塊沒有輸出（處于高阻態(tài)）就可以了。

如果是在ModelSim中作為單獨的模塊仿真，那么在模塊輸出的時候，不能使用force命令將其設(shè)為高阻態(tài)，而是使用release命令將總線釋放掉

很多初學(xué)者在寫testbench進行仿真和驗證的時候，被inout雙向口難住了。仿真器老是提示錯誤不能進行。下面是我個人對inout端口寫 testbench仿真的一些總結(jié)，并舉例進行說明。在這里先要說明一下inout口在testbench中要定義為wire型變量。

先假設(shè)有一源代碼為：

module xx（data_inout ， 。.）;

inout data_inout;

assign data_inout=（！ link）？datareg:1‘bz;

endmodule

方法一：使用相反控制信號inout口，等于兩個模塊之間用inout雙向口互連。這種方法要注意assign 語句只能放在initial和always塊內(nèi)。

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語句，但這種方法不能準確反映雙向端口的信號變化，但這種方法可以反在塊內(nèi)。

module test（）;

wire data_inout;

reg data_reg;

reg link;

#xx; //延時

force data_inout=1‘bx; //強制作為輸入端口

。..

#xx;

release data_inout; //釋放輸入端口

endmodule

很多讀者反映仿真雙向端口的時候遇到困難，這里介紹一下雙向端口的仿真方法。一個典型的雙向端口如圖1所示。

其中inner_port與芯片內(nèi)部其他邏輯相連，outer_port為芯片外部管腳，out_en用于控制雙向端口的方向，out_en為1時，端口為輸出方向，out_en為0時，端口為輸入方向。

用Verilog語言描述如下：

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語言描述雙向端口如下：

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;

仿真時需要驗證雙向端口能正確輸出數(shù)據(jù)，以及正確讀入數(shù)據(jù)，因此需要驅(qū)動out_en端口，當(dāng)out_en端口為1時，testbench驅(qū)動 inner_port端口，然后檢查outer_port端口輸出的數(shù)據(jù)是否正確；當(dāng)out_en端口為0時，testbench驅(qū)動 outer_port端口，然后檢查inner_port端口讀入的數(shù)據(jù)是否正確。由于inner_port和outer_port端口都是雙向端口（在 VHDL和Verilog語言中都用inout定義），因此驅(qū)動方法與單向端口有所不同。

驗證該雙向端口的testbench結(jié)構(gòu)如圖2所示。

這是一個self-checking testbench，可以自動檢查仿真結(jié)果是否正確，并在Modelsim控制臺上打印出提示信息。圖中Monitor完成信號采樣、結(jié)果自動比較的功能。

testbench的工作過程為

1）out_en=1時，雙向端口處于輸出狀態(tài)，testbench給inner_port_tb_reg信號賦值，然后讀取outer_port_tb_wire的值，如果兩者一致，雙向端口工作正常。

2）out_en=0時，雙向端口處于輸如狀態(tài)，testbench給outer_port_tb_reg信號賦值，然后讀取inner_port_tb_wire的值，如果兩者一致，雙向端口工作正常。

用Verilog代碼編寫的testbench如下，其中使用了自動結(jié)果比較，隨機化激勵產(chǎn)生等技術(shù)。

`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

$display（“ **** time=%t ****”，$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

$display（“ **** time=%t ****”，$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

原文標題：簡談FPGA Verilog testbench

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責(zé)任編輯：haq