Testbench編寫指南（1）基本組成與示例

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Testbench編寫指南（1）基本組成與示例

生成時鐘信號

生成測試激勵

顯示結果

簡單示例

設計規則

??對于小型設計來說，最好的測試方式便是使用TestBench和HDL仿真器來驗證其正確性。一般TestBench需要包含這些部分：實例化待測試設計、使用測試向量激勵設計、將結果輸出到終端或波形窗口便于可視化觀察、比較實際結果和預期結果。下面是一個標準的HDL驗證流程：

?TestBench可以用VHDL或Verilog、SystemVerilog編寫，本文以Verilog HDL為例。FPGA設計必須采用Verilog中可綜合的部分子集，但TestBench沒有限制，任何行為級語法都可以使用。本文將先介紹TestBench中基本的組成部分。

生成時鐘信號

??使用系統時鐘的設計在TestBench中必須要生成時鐘信號，該功能實現起來也非常簡單，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  

生成測試激勵

??只有給設計激勵數據，才能得到驗證結果。提供激勵的方法有兩種，絕對時間激勵以仿真時刻0為基準，給信號賦值，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間，之后才會執行下一個激勵。相對時間激勵給信號一個初始值，直到某一事件發生后才觸發激勵賦值，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

??根據需要，可以同時使用兩種方法。每一個initial塊、always塊之間都是并行工作的關系，但在initial塊內部是順序地處理事件。因此復雜的激勵序列應該分散到多個initial或always塊中，以提高代碼可讀性和可維護性。

顯示結果

??Verilog中可以使用display和display和display和monitor系統任務來顯示仿真結果，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

??$display會將雙引號之間的文本輸出到終端窗口。$monitor的輸出為事件驅動型，如上例中$realtime變量用于觸發信號列表的顯示，%t表示$realtime以時間格式輸出，%b表示其余值以二進制格式輸出。其余還有%d、%h、%o等與慣例相同。

簡單示例

??下面是一個簡單的移位寄存器Verilog設計示例：

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

??下面給出上述設計的TestBench示例：

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

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

initial begin  // 建立時鐘
  clock = 0;
  forever #50 clock = ~clock;
end

initial begin  // 提供激勵
  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中包括實例化設計、建立時鐘、提供激勵、終端顯示幾個部分。每個initial塊之間都從0時刻開始并行執行。$stop用來指示仿真器停止TestBench仿真（建議每個TestBench中都有至少一個$stop）。$monitor會在終端以ASCII格式打印監測結果。

設計規則

??下面給出一些編寫TestBench的基本設計規則：

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，可能會產生不同的仿真結果。仿真器可分為兩類：（1）.基于事件，當輸入、信號或門的值改變時調度仿真器事件，有最佳的時序仿真表現；（2）.基于周期，在每個時鐘周期優化組合邏輯和分析結果，比前者更快且內存利用效率高，但時序仿真結果不準確。即使是基于事件的仿真器，在調度事件時采用不同的算法也會影響到仿真性能（比如同一仿真時刻發生了多個事件，仿真器需要按一定的序列依次調度每個事件）。了解仿真器特性有一定必要，但目前最常用的ModelSim、Vivado Simulator等仿真器也已經非常強大。

避免使用無限循環：仿真器調度事件時，會增加CPU和內存的使用率，仿真進程也會變慢。因此除非迫不得已（比如利用forever生成時鐘信號），盡量不要使用無限循環。

將激勵分散到多個邏輯塊中：Verilog中的每個initial塊都是并行的，相對于仿真時刻0開始運行。將不相關的激勵分散到獨立的塊中，在編寫、維護和更新testbench代碼時會更有效率。

避免顯示不重要的數據：對于大型設計來說，會有超過10萬個事件和大量的信號，顯示大量數據會極度拖慢仿真速度。因此最好的做法是每隔N個時鐘周期顯示重要信號的數據，以保證足夠的仿真速度。

審核編輯：湯梓紅