十大基本功之testbench

 

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，^_^