FPGA入门必备：Testbench仿真文件编写实例详解

引言：在编写完HDL代码后，往往需要通过仿真软件Modelsim或者Vivadao自带的仿真功能对HDL代码功能进行验证，此时我们需要编写Testbench文件对HDL功能进行测试验证。本文我们介绍写Testbench编写的一些要点。

1.Testbench文件结构模板


编写Testbench的目的是为了测试设计电路的功能、性能与设计的预期是否相符。验证软件功能通过包括以下步骤：

      • 产生合适的模拟激励（波形）：该激励通常要覆盖被测HDL模块（黑盒或者称作DUT模块）所有可能得输入状态；

      • 将产生的激励加入到被测试模块中并观察其响应：即将DUT模块例化到Testbench文件中，运行仿真软测测试；

      • 将输出响应与期望值相比较：该步骤是验证DUT功能较耗时的部分，需要仔细分析代码功能是否达到预期设计，所有代码段功能是否正常。

Testbench结构一般模板如下：



module Test_bench_name();//通常无输入无输出
//01: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
//02:使用 initial 或 always 语句产生激励
//03:例化待测试DUT模块
//04:监控和比较输出响应
endmodule
2.时钟激励输入示例


常见的时钟有：50%占空比连续时钟、固定周期数时钟、非50%占空比时钟，示例如下。



/*----------------------------------------------------------------
时钟激励产生方法一：50%占空比时钟
----------------------------------------------------------------*/
parameter ClockPeriod=10; //参数化时钟周期
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;
end
always #(ClockPeriod/2) clk_i=~clk_i;


/*----------------------------------------------------------------
时钟激励产生方法三：产生固定数量的时钟脉冲
----------------------------------------------------------------*/
parameter ClockPeriod=10; //参数化时钟周期
initial
begin
  clk_i=0;
  repeat(6)
  #(ClockPeriod/2) clk_i=~clk_i;
end


/*----------------------------------------------------------------
时钟激励产生方法四：产生非占空比为 50%的时钟
----------------------------------------------------------------*/
parameter ClockPeriod=10; //参数化时钟周期
initial
begin
clk_i=0;
forever
  begin
    #((ClockPeriod/2)-2) clk_i=0;
    #((ClockPeriod/2)+2) clk_i=1;
    end
end

3.复位激励输入示例


复位输入主要包括异步复位、同步复位，代码示例如下。



/*----------------------------------------------------------------
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; clk_i = 0;
  @（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
always #5 clk_i=~clk_i;


/*----------------------------------------------------------------
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
4.双向口inout示例
/*----------------------------------------------------------------
双向信号inout 在 testbench 中定义为 wire 型变量
----------------------------------------------------------------*/
reg  sck;
wire sda;   //inout信号sda定义为wire型
reg  sda_r; //inout 输出定义为reg型
reg  sda_en;
assign sda_r = (sda_en) ? mosi : 1'bz;
assign sda =sda_r;
5.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


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


/*----------------------------------------------------------------
特殊激励信号产生描述四：@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.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
/*----------------------------------------------------------------
7. 仿真终端显示描述
/*----------------------------------------------------------------
仿真终端显示描述
----------------------------------------------------------------*/
$monitor //仿真打印输出, 打印出仿真过程中的变量，使其终端显示
/*$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
$realtime //实行实型模拟时间
8. 文本输入方式
/*----------------------------------------------------------------
文本输入方式：$readmemb/$readmemh
----------------------------------------------------------------*/
//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。*/