TestBench内容编写与方法总结

随着数字电路设计的规模和复杂性越来越大，设计验证也变得更加困难和复杂。为了解决这一挑战，验证工程师使用了一些验证工具和方法。

对于大型的、数百万门电路级的设计，通常使用一套正式的验证工具。这些工具通常是商业化的，并且具有许多高级特性，如代码覆盖率分析、功能覆盖率分析、动态波形仿真等等。这些工具能够有效地完成大规模电路的验证任务，并且可以保证电路的正确性。

然而对于小型的设计，则通常会使用带有testbench的HDL仿真工具进行测试。这些仿真工具可以帮助设计工程师检查电路的正确性，并且发现其中可能存在的错误。HDL仿真工具是一种被广泛采用的验证方法，因为它们易于使用，且成本较低。

通常，Testbenches会实现以下任务：

实例化被测模块

通过对模块功能，编写测试激励

输出仿真结果到终端或波形窗口观察调试，或者输出成文件

将实际结果与预期结果进行比对

testbench可用VHDL、Verilog和System Verilog编写。由于它们仅用于仿真，所以不受可综合过程中使用的RTL语言子集的语义约束限制。这意味着可以更通用地编写测试testbenches，使它们更易于维护。

一、`timescale

这个指令是Verilog语法中的一条预编译指令，通常用来指定仿真中时间的单位与精度，用于指定testbenches的单位时间步长。

这条指令的语法为：

`timescale reference_time/precision

其中reference_time是仿真中的时间单位，而precision则决定了仿真时间的精度

注意：

时间单位和时间精度只能是1、10和100这3个整数中之一

单位可以是s、ms、us、ns、ps和fs

时间精度必须小于或等于时间单位

下面看一个简单的例子来了解下`timescale的使用方法：

`timescale 10ns/1ns     //单位10ns，精度1ns
 
module testbench;
    reg set;
    localparam d = 1.8;
    initial begin
        #1    set = 0;    //1*10 ns  = 10ns
        #d    set = 1;    //1.8*10ns = 18ns
    end
endmodule

说明：

时间单位设置为10ns，精度设置为1ns

第1次在#1时对set赋值0，此时延时时间为10ns，因为时间单位为10ns，#1表示延时1个时间单位

第2次在#d时对set赋值1，此时延时时间为18+10ns，因为时间单位为10ns，#d表示延时1.8个时间单位，即18ns

小tips：

1、不要设置无意义的高精度，时间精度越高，对应的仿真所消耗的资源和时间就越多，比如“`timescale 1ns/1ps”，一般仿真时不需要精确到ps级，所以只需要设置成ns级就行，比如“`timescale 1ns/1ns”。

2、模块中虽然可以包含多个`timescale，但建议只设定一个`timescale语句。注意预编译指令通常都是顺序执行的，新的一条相同的预编译指令会覆盖旧的预编译指令。

二、时钟信号

时序逻辑是必须有时钟的，生成时钟逻辑很简单，如下所示：

Parameter Period = 10;//周期
wire clk;
always #(Period/2) clk = ~clk;

延时表示：#+时间，如#2，即表示从现在开始20个时间单位后执行操作。

三、initial语句块

initial语句块一般只能用于行为仿真，但简单的使用initial对变量初始化也是可以综合的。

Verilog文件中的所有initial块都是同时并发执行的，但在每个initial块内部是按照写入的顺序执行的。

编写测试激励时，可以使用多个initial块将复杂逻辑分成多个部分，这样写的代码更具可读性和可维护性。

代码示例：

//参数定义
reg reset, start_r, stop_r;

//initial
initial begin
reset = 1;
Load = 0;
stop_r = 0;
#10 reset = 0;
#100 start_r = 1;
#200 stop_r = 1;
$stop;
end

四、常用系统函数

1、$finish和$stop

$finish表示停止仿真，当程序仿真执行到该语句时，软件会提示要不要退出仿真。如果选是，则仿真结束，退出仿真窗口。

$stop表示暂停仿真，当程序仿真执行到该语句时，仿真会暂停，常用于抓取仿真过程中出现错误状态时，或检测某个信号时，暂停仿真。

一般与wait函数配合使用，检测到仿真结束条件时，停止仿真，这样就不用一直盯着仿真界面。

直接在initial语句中，调用该语句即可，如：

reg reset, start_r;
wire data_end;

initial begin
reset = 1;
start_r = 0;
#10 reset = 0;
#100 start_r = 1;
wait(data_end);//等待检测到结束信号，仿真自动停止。
$stop;
end

2、$timeformat

$timeformat用于修改%t格式下显示时间的方式，在一个initial块中，会一直保持生效，直到执行了新的$timeformat。

语法：

$timeformat(units_num, precision_num, suffix_str, minimum_field_wdith);

说明：

（1）units_num

表示打印的时间值的单位， 0 表示秒，-3 表示毫秒，-6 表示微秒，-9 表示纳秒， -12 表示皮秒， -15 表示飞秒；-10表示以100ps为单位。

（2）precision_num

表示在打印时间值时，小数点后保留的位数。其默认值为0。

（3）suffix_str

在时间值后面打印的一个后缀字符串。其默认值为空字符串。

（4）minimum_field_wdith

时间值字符串与后缀字符串合起来的这部分字符串的最小长度，若这部分字符串不足这个长度，则在这部分字符串之前补空格。其默认值为20。

3、$display

可以在终端窗口打印出一条文本信息，支持自动换行。

$display("Hello world!");    $display("%b %b",a,b) ；

变量输出格式：

%t 将显示的$realtime值按照格式化为$timeformat设定的时间格式;

%h 用于十六进制格式;

%d 用于十进制格式;

%o 用于八进制格式;

%b 用于二进制格式;

%c 用于ASCII 码格式输出;

%s 用于字符串格式输出。

4、$monitor

用于追踪变量的变化情况，只有追踪的变量发生变化才会在终端打印显示结果，支持自动换行。

$monitor("%t %b", $realtime, a);

5、应用示例

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

仿真结果：

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五、测试激励示例

下面给一个经典示例，包括时钟、被测模块、测试激励和结果监控。

移位寄存器的简单Verilog设计：

module shift_reg (
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 begin
       case (sel)
       2'b00 : shiftreg = shiftreg;
       2'b01 : shiftreg = shiftreg << 1;
       2'b10 : shiftreg = shiftreg >> 1;
       default : shiftreg = shiftreg;
       endcase
    end
end
endmodule

测试激励：

module testbench; // declare testbench name
 
 reg clock;
 reg load;
 reg reset; // declaration of signals
 wire [4:0] shiftreg;
 reg [4:0] data;
 reg [1:0] sel;
 
 // instantiation of the shift_reg design below
 shift_reg dut(.clock (clock), 
    .load (load), 
    .reset (reset), 
    .shiftreg (shiftreg),
    .data (data), 
    .sel (sel));
 
 //this process block sets up the free running clock
 initial begin
     clock = 0;
     forever #50 clock = ~clock;
 end
 
 initial begin// this process block specifies the stimulus. 
     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// this process block pipes the ASCII results to the 
//terminal or text editor
     $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

六、自动化验证

在大型设计测试中，各种信号变量非常多，如果只通过观察，是看不过来的。

那有没有更有效的验证方法呢？

这时可以考虑自动化验证，将预期结果存储成一个大型数组，与实际输出的结果自动进行一一对比，这时候只需要观察check信号，如果实际结果与预期不一致，这时候就可以暂停仿真。

接下来再进一步添加调试信号，逐步定位到问题模块和逻辑，修正后再仿真，直至整个测试仿真都通过，那这个功能模块就初步通过了验证。

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