【第一季】CH06_FPGA设计Verilog基础（三）

一个完整的设计，除了好的功能描述代码，对于程序的仿真验证是必不可少的。学会如何去验证自己所写的程序，即如何调试自己的程序是一件非常重要的事情。而RTL逻辑设计中，学会根据硬件逻辑来写测试程序，即Testbench是尤其重要的。Verilog测试平台是一个例化的待测（MUT）模块，重要的是给它施加激励并观测其输出。逻辑模块与其对应的测试平台共同组成仿真模型，应用这个模型可以测试该模块能否符合自己的设计要求。

编写TESTBENCH的目的是为了对使用硬件描述语言设计的电路进行仿真验证，测试设计电路的功能、性能与设计的预期是否相符。通常，编写测试文件的过程如下：

• 产生模拟激励（波形）；

• 将产生的激励加入到被测试模块中并观察其响应；

• 将输出响应与期望值相比较。

6.1 完成的Test bench文件结构

通常，一个完整的测试文件其结构为

module Test_bench();//通常无输入无输出

信号或变量声明定义

逻辑设计中输入对应reg型

逻辑设计中输出对应wire型

使用initial或always语句产生激励

例化待测试模块

监控和比较输出响应

endmodule

6.2 时钟激励设计

下面列举出一些常用的封装子程序，这些是常用的写法，在很多应用中都能用到。

/*----------------------------------------------------------------

时钟激励产生方法一：50%占空比时钟

----------------------------------------------------------------*/

parameter ClockPeriod=10;

initial

begin

clk_i=0;

forever

#(ClockPeriod/2) clk_i=~clk_i;

end

/*----------------------------------------------------------------

时钟激励产生方法二：50%占空比时钟

----------------------------------------------------------------*/

initial

begin

clk_i=0;

always #(ClockPeriod/2) clk_i=~clk_i;

end

/*----------------------------------------------------------------

时钟激励产生方法四：产生固定数量的时钟脉冲

----------------------------------------------------------------*/

initial

begin

clk_i=0;

repeat(6)

#(ClockPeriod/2) clk_i=~clk_i;

end

/*----------------------------------------------------------------

时钟激励产生方法五：产生非占空比为50%的时钟

----------------------------------------------------------------*/

initial

begin

clk_i=0;

forever

begin

#((ClockPeriod/2)-2) clk_i=0;

#((ClockPeriod/2)+2) clk_i=1;

end

6.3 复位信号设计

/*----------------------------------------------------------------

复位信号产生方法一：异步复位

----------------------------------------------------------------*/

initial

begin

rst_n_i=1;

#100;

rst_n_i=0;

#100;

rst_n_i=1;

end

/*----------------------------------------------------------------

复位信号产生方法二：同步复位

----------------------------------------------------------------*/

initial

begin

rst_n_i=1;

@（negedge clk_i)

rst_n_i=0;

#100; //固定时间复位

repeat(10) @（negedge clk_i); //固定周期数复位

@（negedge clk_i)

rst_n_i=1;

end

/*----------------------------------------------------------------

复位信号产生方法三：复位任务封装

----------------------------------------------------------------*/

task reset;

input [31:0] reset_time; //复位时间可调，输入复位时间

RST_ING=0; //复位方式可调，低电平或高电平

begin

rst_n=RST_ING; //复位中

#reset_time; //复位时间

rst_n_i=~RST_ING; //撤销复位，复位结束

end

endtask

6.4 特殊信号设计

/*----------------------------------------------------------------

特殊激励信号产生描述一：输入信号任务封装

----------------------------------------------------------------*/

task i_data;

input [7:0] dut_data;

begin

@(posedge data_en); send_data=0;

@(posedge data_en); send_data=dut_data[0];

@(posedge data_en); send_data=dut_data[1];

@(posedge data_en); send_data=dut_data[2];

@(posedge data_en); send_data=dut_data[3];

@(posedge data_en); send_data=dut_data[4];

@(posedge data_en); send_data=dut_data[5];

@(posedge data_en); send_data=dut_data[6];

@(posedge data_en); send_data=dut_data[7];

@(posedge data_en); send_data=1;

#100;

end

endtask

//调用方法：i_data(8'hXX);

/*----------------------------------------------------------------

特殊激励信号产生描述二：多输入信号任务封装

----------------------------------------------------------------*/

task more_input;

input [7:0] a;

input [7:0] b;

input [31:0] times;

output [8:0] c;

begin

repeat(times) //等待times个时钟上升沿

@(posedge clk_i)

c=a+b; //时钟上升沿a，b相加

end

endtask

//调用方法：more_input(x,y,t,z); //按声明顺序

/*----------------------------------------------------------------

双向信号描述一：inout在testbench中定义为wire型变量

----------------------------------------------------------------*/

//为双向端口设置中间变量inout_reg作为inout的输出寄存，其中inout变

//量定义为wire型，使用输出使能控制传输方向

//inout bir_port;

wire bir_port;

reg bir_port_reg;

reg bi_port_oe;

assign bi_port=bi_port_oe ? bir_port_reg : 1'bz;

/*----------------------------------------------------------------

双向信号描述二：强制force

----------------------------------------------------------------*/

//当双向端口作为输出口时，不需要对其进行初始化，而只需开通三态门

//当双向端口作为输入时，只需要对其初始化并关闭三态门，初始化赋值需

//使用wire型数据，通过force命令来对双向端口进行输入赋值

//assign dinout=(!en) din :16'hz; 完成双向赋值

initial

begin

force dinout=20;

#200

force dinout=dinout-1;

end

/*----------------------------------------------------------------

特殊激励信号产生描述三：输入信号产生,一次SRAM写信号产生

----------------------------------------------------------------*/

initial

begin

cs_n=1; //片选无效

wr_n=1; //写使能无效

rd_n=1; //读使能无效

addr=8'hxx; //地址无效

data=8'hzz; //数据无效

#100;

cs_n=0; //片选有效

wr_n=0; //写使能有效

addr=8'hF1; //写入地址

data=8'h2C; //写入数据

#100;

cs_n=1;

wr_n=1;

#10;

addr=8'hxx;

data=8'hzz;

end

/*----------------------------------------------------------------

Testbench中@与wait

----------------------------------------------------------------*/

//@使用沿触发

//wait语句都是使用电平触发

initial

begin

start=1'b1;

wait(en=1'b1);

#10;

start=1'b0;

end

6.5 仿真控制语句及系统任务描述

/*----------------------------------------------------------------

仿真控制语句及系统任务描述

----------------------------------------------------------------*/

$stop //停止运行仿真，modelsim中可继续仿真

$stop(n) //带参数系统任务，根据参数0,1或2不同，输出仿真信息

$finish //结束运行仿真，不可继续仿真

$finish(n) //带参数系统任务，根据参数0,1或2不同，输出仿真信息

//0:不输出任何信息

//1:输出当前仿真时刻和位置

//2:输出当前仿真时刻、位置和仿真过程中用到的memory以及CPU时间的统计

$random //产生随机数

$random % n //产生范围-n到n之间的随机数

{$random} % n //产生范围0到n之间的随机数

/*----------------------------------------------------------------

仿真终端显示描述

----------------------------------------------------------------*/

$monitor //仿真打印输出,大印出仿真过程中的变量，使其终端显示

$monitor($time,,,"clk=%d reset=%d out=%d",clk,reset,out);

$display //终端打印字符串,显示仿真结果等

$display(” Simulation start ! ");

$display(” At time %t,input is %b%b%b,output is %b",$time,a,b,en,z);

$time //返回64位整型时间

$stime //返回32位整型时间

$realtime //实行实型模拟时间

/*----------------------------------------------------------------

文本输入方式：$readmemb/$readmemh

----------------------------------------------------------------*/

//激励具有复杂的数据结构

//verilog提供了读入文本的系统函数

$readmemb/$readmemh("<数据文件名>",<存储器名>);

$readmemb/$readmemh("<数据文件名>",<存储器名>,<起始地址>);

$readmemb/$readmemh("<数据文件名>",<存储器名>,<起始地址>,<结束地址>);

$readmemb:/*读取二进制数据，读取文件内容只能包含：空白位置，注释行，二进制数

数据中不能包含位宽说明和格式说明，每个数字必须是二进制数字。*/

$readmemh:/*读取十六进制数据，读取文件内容只能包含：空白位置，注释行，十六进制数

数据中不能包含位宽说明和格式说明，每个数字必须是十六进制数字。*/

/*当地址出现在数据文件中，格式为@hh...h,地址与数字之间不允许空白位置，

可出现多个地址*/

module

reg [7:0] memory[0:3];//声明8个8位存储单元

integer i;

initial

begin

$readmemh("mem.dat",memory);//读取系统文件到存储器中的给定地址

//显示此时存储器内容

for(i=0;i<4;i=i+1)

$display("Memory[%d]=%h",i,memory[i]);

end

endmodule

/*mem.dat文件内容

@001

AB CD

@003

//仿真输出为

Memory[0] = xx;

Memory[1] = AB;

Memory[2] = CD;

Memory[3] = A1;

6.6加法器的仿真测试文件编写

上面只例举了常用的testbench写法，在工程应用中基本能够满足我们需求，至于其他更为复杂的testbench写法，大家可参考其他书籍或资料。

这里提出以下几点建议供大家参考：

• 封装有用且常用的testbench，testbench中可以使用task或function对代码进行封装，下次利用时灵活调用即可；

• 如果待测试文件中存在双向信号(inout)需要注意，需要一个reg变量来表示输入，一个wire变量表示输出；

• 单个initial语句不要太复杂，可分开写成多个initial语句，便于阅读和修改；

• Testbench说到底是依赖PC软件平台，必须与自身设计的硬件功能想搭配。

下面具体看一段程序：

module add(a,b,c,d,e);// 模块接口

input [5:0] a; // 输入信号a

input [5:0] b; // 输入信号b

input [5:0] c; // 输入信号a

input [5:0] d; // 输入信号b

output[7:0] e; // 求和输出信号

wire [6:0]outa1,outa2; // 定义输出网线型

assign e = outa2+outa1; // 把两部分输出结果合并

通常，我们模块的调用写法如下：

被调用的模块名字- 自定义的名字- 括号内信号

这里比如括号内的信号，.ina(ina1)

这种写法最常用，信号的顺序可以调换

另外还有一种写法没可以直接这样写

adder u1 (ina1,inb1,outa1);

这种写法必须确保信号的顺序一致，这种写法几乎没有人采用

adder u1 (.ina(a),.inb(b),.outa(outa1)); // 调用adder 模块，自定义名字为u1

adder u2 (.ina(c),.inb(d),.outa(outa2)); // 调用adder 模块，自定义名字为u2

endmodule

//adder 子模块

module adder(ina,inb,outa );// 模块接口

input [5:0] ina; // ina-输入信号

input [5:0] inb; // inb-输入信号

output [6:0] outa; // outa-输入信号

assign outa = ina + inb; // 求和

endmodule // 模块结束

仿真文件：

`timescale 1ns / 1ps

module add_tb();

reg [5:0] a;

reg [5:0] b;

reg [5:0] c;

reg [5:0] d;

wire[7:0] e;

reg [5:0] i; //中间变量

// 调用被仿真模块模块

add uut (.a(a), .b(b),.c(c),.d(d),.e(e));

initial begin // initial 是仿真用的初始化关键词

a=0;b=0;c=0;d=0; // 必须初始化输入信号

for(i=1;i<31;i=i+1) begin

#10 ;

a = i;

b = i;

c = i;

d = i;

end // 给是输入信号a 赋值

end

initial begin

$monitor($time,,,"%d + %d + %d + %d ={%d}",a,b,c,d,e); // 信号打印输出

#500 $finish;

end

endmodule