FPGA开发分析一个testbench

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很多FPGA/IC开发工具都提供设计例子，方便使用者学习和练习，例如，Xilinx ISE提供了很多设计实例，放在ISE5.X的安装目录下的ISEexamples目录下，例如CDMA匹配滤波器、Johnson计数器、PN码发生器、频率计等，这些例子是经验丰富的工程师写的，我们可以学到编程思想、代码风格等方面的知识和经验，这些东西可能从学校老师或一般书籍都学习不到。

如果你用的不是Xilinx的FPGA，也就是说不使用ISE，那也没关系，HDL代码和testbench的设计思想和方法是一样的，你照样可以从中学到很多东西。下面以其中一个例子――同步FIFO为例，分析一下我们的第一个testbench，设计的源代码可以在ISEexamples目录下找到，Xilinx还提供了Application Note详细介绍了该FIFO的细节，


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1．511x8同步FIFO功能简介


为了对这个511x8同步FIFO进行功能验证，首先要清楚它的功能，只有这样才能知道需要验证什么功能，以及如何进行验证，图1为该同步FIFO的原理框图。

与异步FIFO相比，同步FIFO的读、写时钟是同一个时钟，简化了FIFO的设计，Empty和Full标志的产生也比较容易，同步FIFO内部使用二进制计数器记录读地址和写地址。在异步FIFO中，由于读写使用不同的时钟，也就是说设计存在两个时钟域，为了减少出现亚稳态时产生的错误，记录读写地址的计数器要使用格雷码，Empty和Full标志的产生也比较复杂。511x8同步FIFO（以下简称FIFO）的工作时序如图2所示。
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读FIFO数据时，首先read_allow信号置高，时钟上升沿到来时read_addr地址处的数据将出现在read_data处，同时read_addr加1。让read_allow信号持续为高可以完成burst read操作。如果读出的数据是FIFO的最后一个数据，那么读操作完成后Empty信号变高。Empty信号为高时读出来的数据是无效的。

写FIFO数据时，首先write_allow信号置高，同时准备好输入数据write_data，时钟上升沿到来时，数据将写入write_addr所指向的地址中，同时write_addr加1。让write_allow信号持续为高可以完成burst write操作。如果某一个时钟上升沿时写入第511个数，那么下一个时钟沿到来的时候Full信号变高，表示FIFO已经写满。

我们再详细分析FIFO的工作时序图。在图2中，开始时FIFO的读写指针均为0，Empty为高表示FIFO处于空的状态，然后write_allow置高，时钟上升沿到来时写入第一个数据，Empty变低；一个CLK之后，read_allow置高，时钟上升沿到来时，读出数据，由于是最后一个数据，所以Empty信号又变为有效（高电平）。在时序图的右半部分，写入509个数据之后，再写入两个数据，Full信号变为有效，表示FIFO为满。
这个FIFO还有一个名为fifo_count_out的输出，从4’b0000~4’b1111，分别表示FIFO满的程度从不足1/16到15/16，为某些应用提供方便。

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2．验证

清楚FIFO的功能之后，我们就可以开始验证工作了。验证工作的第一步是整理出FIFO需要验证的功能点，这些功能点一般直接来源于FIFO应该具有的功能，或者来源于它的使用方法。FIFO需要验证的功能点包括：
1）FIFO复位后，read_addr和write_addr为0，Full为0，Empty为1。
2）读FIFO数据时，read_allow信号必须置高，时钟上升沿到来时read_addr地址处的数据将出现在read_data处，同时read_addr加1。
3）读出FIFO的最后一个数据后，Empty信号变高。
4）写FIFO数据时，write_allow信号必须置高，时钟上升沿到来时，输入数据write_data将写入write_addr所指向的地址中，同时write_addr加1。
5）如果某一个时钟上升沿时写入第511个数，那么下一个时钟沿到来的时候Full信号变高，表示FIFO已经写满。
6）fifo_count_out端能正确的指示FIFO满的程度。
分析Xilinx提供的testbench可以为我们编写自己的testbench提供很好的参考。FIFO的RTL代码和testbench代码放在ISEexamples\fifo_ver_131和fifo_vhd_131下。以verilog代码为例，fifo_ver_131中包括了两个testbench文件，一个是功能仿真testbench文件fifoctlr_cc_tb.tf，另一个是时序仿真（后仿真）testbench文件fifoctlr_cc_tb_timing.tf，这里我们主要分析功能仿真文件，为了方便大家理解，以下（下一帖）为注释过的功能仿真testbench。大家看testbench的代码时，对照FIFO需要验证的功能点，检查是不是所有功能点都经过了验证。
FIFO的testbench主要包括初始化、验证initial块、读写task等内容，初始化部分主要完成复位信号、CLK信号等的初始化工作，读写task把读写、delay等操作模块化，方便使用。这里主要介绍一下验证initial块，也可以说是验证的主程序，如下所示。
initial begin
  delay;           //保证验证环境正确复位
  writeburst128;   //写入512个数，Full信号应该在写入511个数后变高
  writeburst128;
  writeburst128;
  writeburst128;
  read_enable = 1; //读出一个数，Full信号应该变低
  writeburst128;   //同时读写，检查FIFO操作是否正确
  read_enable = 0; //读操作结束
  endwriteburst;   //写操作结束
  delay;           
  readburst128;    //连续读512次，Empty信号应在读出511个数后变高
  readburst128;
  readburst128;
  readburst128;
  endreadburst;
end
这段程序首先延迟5个时钟周期，等初始化完成之后再开始验证工作。验证时，首先写入512个数，使用波形观察器可以检查写入的过程是否正确，以及Full信号在写入511个数后是否变高；然后read_enable = 1，读出一个数，Full信号应该变低，这样写操作和Full信号的验证就基本完成了；程序接着也启动了写操作，由于此时read_enable仍然为高，即读写同时进行，这是对实际情况的模拟，可以对FIFO的功能进行更严格的验证；最后，连续读FIFO 512次，用波形观察器检查读操作是否正确，Empty信号是否在读出511个数后变高，如果这些操作都是正确的，那么FIFO的功能就基本正确了。
需要注意的一点是，以上的程序是不可综合的，因为不是RTL级描述，而是行为级描述（Behavioral Description）。行为级描述的特点是直接描述对象的功能，具有比较高的抽象层次，开发、运行速度都比RTL代码要快，因此testbench都是用行为级描述写的。关于行为级描述的特点、写法以后将有专门的章节论述。
这个testbench的特点是，输入激励由testbench产生，输出响应的检查人工完成，这样的testbench编写相对容易，可以加快开发速度，作为开发人员自己验证是非常好的选择。有些testbench能完成输入激励和输出检查，不用观察波形也能完成验证工作，这样的testbench具有更高的自动化程度，使用方便，可重复性好，当设计比较复杂而且团队中有专门的验证工程师时，一般会有验证工程师建立一套这样的testbench，用于验证开发工程师的RTL级代码，如果发现问题，开发工程师修改后在testbench再运行一次所花的时间非常少，开发复杂项目时这样做可以比用波形观察器节省很多时间。

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3．总结

验证一般要通过写testbench实现，testbench要完成向DUT施加激励和检查DUT相应是否正确的功能，这就要求我们非常清楚待验证模块（DUT）的功能，这样才知道需要验证什么、如何施加激励和如何检查响应是否正确。写testbench时， 首先要列出需要验证的功能，让后再编写testbench，这样可以做到有的放矢，避免遗漏。

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