Testbench的基本組成和設(shè)計(jì)規(guī)則

Testbench編寫(xiě)指南（1）基本組成與示例

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Testbench編寫(xiě)指南（1）基本組成與示例

生成時(shí)鐘信號(hào)

生成測(cè)試激勵(lì)

顯示結(jié)果

簡(jiǎn)單示例

設(shè)計(jì)規(guī)則

??對(duì)于小型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最好的測(cè)試方式便是使用TestBench和HDL仿真器來(lái)驗(yàn)證其正確性。一般TestBench需要包含這些部分：實(shí)例化待測(cè)試設(shè)計(jì)、使用測(cè)試向量激勵(lì)設(shè)計(jì)、將結(jié)果輸出到終端或波形窗口便于可視化觀察、比較實(shí)際結(jié)果和預(yù)期結(jié)果。下面是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的HDL驗(yàn)證流程：

?TestBench可以用VHDL或Verilog、SystemVerilog編寫(xiě)，本文以Verilog HDL為例。FPGA設(shè)計(jì)必須采用Verilog中可綜合的部分子集，但TestBench沒(méi)有限制，任何行為級(jí)語(yǔ)法都可以使用。本文將先介紹TestBench中基本的組成部分。

生成時(shí)鐘信號(hào)

??使用系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)在TestBench中必須要生成時(shí)鐘信號(hào)，該功能實(shí)現(xiàn)起來(lái)也非常簡(jiǎn)單，示例代碼如下：
parameter ClockPeriod = 10;

//方法1
initial begin
  forever clock = #(ClockPeriod/2) ~ Clock;
end

//方法2
initial begin
  always #(ClockPeriod/2) Clock = ~Clock;
end  

生成測(cè)試激勵(lì)

??只有給設(shè)計(jì)激勵(lì)數(shù)據(jù)，才能得到驗(yàn)證結(jié)果。提供激勵(lì)的方法有兩種，絕對(duì)時(shí)間激勵(lì)以仿真時(shí)刻0為基準(zhǔn)，給信號(hào)賦值，示例如下：

initial begin
  reset = 1;
  load = 0;
  count = 0;
  #100 reset = 0;
  #20 load = 1;
  #20 count = 1;
end
‘#’用于指定等待的延遲時(shí)間，之后才會(huì)執(zhí)行下一個(gè)激勵(lì)。相對(duì)時(shí)間激勵(lì)給信號(hào)一個(gè)初始值，直到某一事件發(fā)生后才觸發(fā)激勵(lì)賦值，示例如下：
always @ (posedge clk)
  tb_cnt <= tb_cnt + 1;

initial begin
 ? ?if (tb_cnt <= 5) begin
 ? ? ? ?reset = 1;
 ? ? ? ?load = 0;
 ? ? ? ?count = 0;
 ? ?end
 ? ?else begin
 ? ? ? ?reset = 0;
 ? ? ? ?load = 1;
 ? ? ? ?count = 1;
 ? ?end
end

??根據(jù)需要，可以同時(shí)使用兩種方法。每一個(gè)initial塊、always塊之間都是并行工作的關(guān)系，但在initial塊內(nèi)部是順序地處理事件。因此復(fù)雜的激勵(lì)序列應(yīng)該分散到多個(gè)initial或always塊中，以提高代碼可讀性和可維護(hù)性。

顯示結(jié)果

??Verilog中可以使用display和display和display和monitor系統(tǒng)任務(wù)來(lái)顯示仿真結(jié)果，示例代碼如下：

initial begin
  $timeformat(-9, 1, "ns", 12);
  $display("  Time clk rst ld sftRg data sel");
  $monitor("%t %b %b %b %b %b %b", $realtime,
      clock, reset, load, shiftreg, data, sel);
end

??$display會(huì)將雙引號(hào)之間的文本輸出到終端窗口。$monitor的輸出為事件驅(qū)動(dòng)型，如上例中$realtime變量用于觸發(fā)信號(hào)列表的顯示，%t表示$realtime以時(shí)間格式輸出，%b表示其余值以二進(jìn)制格式輸出。其余還有%d、%h、%o等與慣例相同。

簡(jiǎn)單示例

??下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器Verilog設(shè)計(jì)示例：

module shift_reg (clock, reset, load, sel, data, shiftreg);
input clock;
input reset;
input load;
input [1:0] sel;
input [4:0] data;
output [4:0] shiftreg;
reg [4:0] shiftreg;

always @ (posedge clock)
begin
  if (reset)
    shiftreg = 0;
  else if (load)
    shiftreg = data;
  else
    case (sel)
      2'b00 : shiftreg = shiftreg;
      2'b01 : shiftreg = shiftreg << 1;
 ? ? ? ? ? ?2'b10 : shiftreg = shiftreg >> 1;
      default : shiftreg = shiftreg;
    endcase
end
endmodule

??下面給出上述設(shè)計(jì)的TestBench示例：

module testbench; // 申明TestBench名稱
reg clock;
reg load;
reg reset; // 申明信號(hào)
wire [4:0] shiftreg;
reg [4:0] data;
reg [1:0] sel;

// 申明移位寄存器設(shè)計(jì)單元
shift_reg dut(.clock (clock),
  .load (load),
  .reset (reset),
  .shiftreg (shiftreg),
  .data (data),
  .sel (sel));

initial begin  // 建立時(shí)鐘
  clock = 0;
  forever #50 clock = ~clock;
end

initial begin  // 提供激勵(lì)
  reset = 1;
  data = 5'b00000;
  load = 0;
  sel = 2'b00;
  #200
  reset = 0;
  load = 1;
  #200
  data = 5'b00001;
  #100
  sel = 2'b01;
  load = 0;
  #200
  sel = 2'b10;
  #1000 $stop;
end

initial begin  // 打印結(jié)果到終端
  $timeformat(-9,1,"ns",12);
  $display(" Time Clk Rst Ld SftRg Data Sel");
  $monitor("%t %b %b %b %b %b %b", $realtime,
  clock, reset, load, shiftreg, data, sel);
end
endmodule

??TestBench中包括實(shí)例化設(shè)計(jì)、建立時(shí)鐘、提供激勵(lì)、終端顯示幾個(gè)部分。每個(gè)initial塊之間都從0時(shí)刻開(kāi)始并行執(zhí)行。$stop用來(lái)指示仿真器停止TestBench仿真（建議每個(gè)TestBench中都有至少一個(gè)$stop）。$monitor會(huì)在終端以ASCII格式打印監(jiān)測(cè)結(jié)果。

設(shè)計(jì)規(guī)則

??下面給出一些編寫(xiě)TestBench的基本設(shè)計(jì)規(guī)則：

了解仿真器特性：不同的仿真器由不同的特性、能力和性能差異，可能會(huì)產(chǎn)生不同的仿真結(jié)果。仿真器可分為兩類：（1）.基于事件，當(dāng)輸入、信號(hào)或門的值改變時(shí)調(diào)度仿真器事件，有最佳的時(shí)序仿真表現(xiàn)；（2）.基于周期，在每個(gè)時(shí)鐘周期優(yōu)化組合邏輯和分析結(jié)果，比前者更快且內(nèi)存利用效率高，但時(shí)序仿真結(jié)果不準(zhǔn)確。即使是基于事件的仿真器，在調(diào)度事件時(shí)采用不同的算法也會(huì)影響到仿真性能（比如同一仿真時(shí)刻發(fā)生了多個(gè)事件，仿真器需要按一定的序列依次調(diào)度每個(gè)事件）。了解仿真器特性有一定必要，但目前最常用的ModelSim、Vivado Simulator等仿真器也已經(jīng)非常強(qiáng)大。

避免使用無(wú)限循環(huán)：仿真器調(diào)度事件時(shí)，會(huì)增加CPU和內(nèi)存的使用率，仿真進(jìn)程也會(huì)變慢。因此除非迫不得已（比如利用forever生成時(shí)鐘信號(hào)），盡量不要使用無(wú)限循環(huán)。

將激勵(lì)分散到多個(gè)邏輯塊中：Verilog中的每個(gè)initial塊都是并行的，相對(duì)于仿真時(shí)刻0開(kāi)始運(yùn)行。將不相關(guān)的激勵(lì)分散到獨(dú)立的塊中，在編寫(xiě)、維護(hù)和更新testbench代碼時(shí)會(huì)更有效率。

避免顯示不重要的數(shù)據(jù)：對(duì)于大型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，會(huì)有超過(guò)10萬(wàn)個(gè)事件和大量的信號(hào)，顯示大量數(shù)據(jù)會(huì)極度拖慢仿真速度。因此最好的做法是每隔N個(gè)時(shí)鐘周期顯示重要信號(hào)的數(shù)據(jù)，以保證足夠的仿真速度。

審核編輯：湯梓紅