Verilog中testbench的设计，文件读取和写入操作

爱被打了一巴掌 2022-03-25 09:58 917阅读 0赞

1. 激励的产生  
  
对于 testbench 而言，端口应当和被测试的 module 一一对应。  
端口分为 input,output 和 inout 类型产生激励信号的时候，  
input 对应的端口应当申明为 reg,  
output 对应的端口申明为 wire,  
inout 端口比较特殊，下面专门讲解。

## 1）直接赋值 ##

一般用 initial 块给信号赋初值，initial 块执行一次，always 或者 forever 表示由事件激发反复执行。  
举例，一个 module  
  
\[plain\] view plain copy  
  
\`timescale 1ns/1ps  
  
module exam();  
reg rst\_n;  
reg clk;  
reg data;  
  
initial  
begin  
clk = 1'b0;  
rst = 1'b1;  
\#10  
rst = 1'b0;  
\#500  
rst = 1'b1;  
end  
  
always  
begin  
\#10 clk = ~clk;  
end  
  
endmodule  
  
  
  
大家应该注意到有个\#符号，该符号的意思是指延迟相应的时间单位。该时间单位由 timscale 决定.  
  
  
一般在 testbench 的开头定义时间单位和仿真精度，比如\`timescale 1ns/1ps  
前面一个是代表时间单位，后面一个代表仿真时间精度。  
以上面的例子而言，一个时钟周期是 20 个单位，也就是 20ns。  
  
  
而仿真时间精度的概念就是，你能看到 1.001ns 时对应的信号值，  
而假如 timescale 1ns/1ns，1.001ns 时候的值就无法看到。  
对于一个设计而言，时间刻度应该统一，如果设计文件和 testbench 里面的时间刻度不一致，  
仿真器默认以 testbench 为准。  
  
  
一个较好的办法是写一个 global.v 文件，然后用 include 的办法，可以防止这个问题。  
  
  
对于反复执行的操作，可写成 task,然后调用，比如  
  
  
  
task load\_count;  
  
input \[3:0\] load\_value;  
begin  
@(negedge clk\_50);  
$display($time, " << Loading the counter with %h >>", load\_value);  
load\_l = 1’b0;  
count\_in = load\_value;  
@(negedge clk\_50);  
load\_l = 1’b1;  
end  
endtask //of load\_count  
  
initial  
begin  
load\_count(4’hA); // 调用 task  
end  
  
  
  
其他像 forever,for,function 等等语句用法类似，虽然不一定都能综合，但是用在 testbench 里面很方  
便，大家可以自行查阅参考文档  
  
2） 文件输入  
  
有时候，需要大量的数据输入，直接赋值的话比较繁琐，可以先生成数据，再将数据读入到寄存器中，  
需要时取出即可。  
用 $readmemb 系统任务从文本文件中读取二进制向量（可以包含输入激励和输出期望值）。  
$readmemh 用于读取十六进制文件。例如：  
  
  
  
reg \[7:0\] mem\[256:1\] // a 8-bit, 256-word 定义存储器 mem  
initial $readmemh ( "E:/readhex/mem.dat", mem ) // 将.dat 文件读入寄存器 mem 中  
initial $readmemh ( "E:/readhex/mem.dat", mem, 128, 1 ) // 参数为寄存器加载数据的地址始终  
  
  
文件调入和打印中，我们 $fread $fwrite 用的更多一些, 大家可以自行查阅参考文档

## 2. 查看仿真结果 ##

对于简单的 module 来说，要在 modelsim 的仿真窗口里面看波形，就用 add wave ..命令  
比如， testbench 的顶层 module 名叫 tb,要看时钟信号，就用 add wave tb.clk  
要查看所有信号的时候，就用 add wave /\*  
  
当然，也可以在 workspace 下的 sim 窗口里面右键单击 instance 来添加波形  
对于复杂的仿真，免不了要记录波形和数据到文件里面去。  
  
1）波形文件记录(这部分暂时我没用到呢！)  
常见的波形文件一般有两种， vcd 和 fsdb， debussy 是个很好的工具，支持 fsdb，所以最好是 modelsim+debussy 的组  
合默认情况下， modelsim 不认识 fsdb，所以需要先装 debussy，再生成 fsdb 文件。  
  
  
$dumpfile 和$dumpvar 是 verilog 语言中的两个系统任务， 可以调用这两个系统任务来创建和将指定信息导入 VCD 文件.  
对于 fsdb 文件来说，对应的命令是 fsdbDumpfile,dumpfsdbvars  
  
  
(什么是 VCD 文件? 答： VCD 文件是在对设计进行的仿真过程中，记录各种信号取值变化情况的信息记录文件。 EDA  
工具通过读取 VCD 格式的文件，显示图形化的仿真波形，所以，可以把 VCD 文件简单地视为波形记录文件.)下面分别  
描述它们的用法并举例说明之。  
  
  
  
$dumpfile 系统任务：为所要创建的 VCD 文件指定文件名。  
举例（ "//"符号后的内容为注释文字）：  
initial  
$dumpfile ("myfile.dump"); //指定 VCD 文件的名字为 myfile.dump，仿真信息将记录到此文件  
$dumpvar 系统任务：指定需要记录到 VCD 文件中的信号，可以指定某一模块层次上的所有信号，也可以单独指定某一  
个信号。  
典型语法为$dumpvar(level, module\_name); 参数 level 为一个整数， 用于指定层次数， 参数 module 则指定要记录的模块。  
整句的意思就是，对于指定的模块，包括其下各个层次(层次数由 level 指定)的信号，都需要记录到 VCD 文件中去。  
  
  
举例：  
initial  
$dumpvar (0, top); //指定层次数为 0，则 top 模块及其下面各层次的所有信号将被记录  
  
initial  
$dumpvar (1, top); //记录模块实例 top 以下一层的信号  
//层次数为 1，即记录 top 模块这一层次的信号  
//对于 top 模块中调用的更深层次的模块实例，则不记录其信号变化  
  
initial  
$dumpvar (2, top); //记录模块实例 top 以下两层的信号  
  
//即 top 模块及其下一层的信号将被记录  
假设模块 top 中包含有子模块 module1，而我们希望记录 top.module1 模块以下两层的信号，则语法举例如下：  
initial  
$dumpvar (2, top.module1); //模块实例 top.module1 及其下一层的信号将被记录  
假设模块 top 包含信号 signal1 和 signal2(注意是变量而不是子模块), 如我们希望只记录这两个信号，则语法举例如下：  
  
initial  
$dumpvar (0, top.signal1, top.signal2); //虽然指定了层次数，但层次数是不影响单独指定的信号的  
  
  
  
//即指定层次数和单独指定的信号无关  
我们甚至可以在同一个$dumpvar 的调用中，同时指定某些层次上的所有信号和某个单独的信号，假设模块 top 包含信  
号 signal1，同时包含有子模 块 module1，如果我们不但希望记录 signal1 这个独立的信号，而且还希望记录子模块 module1  
  
以下三层的所有信号，则语法举例如下：  
  
  
  
initial  
$dumpvar (3, top.signal1, top.module1); //指定层次数和单独指定的信号无关  
//所以层次数 3 只作用于模块 top.module1, 而与信号  
top.signal1 无关  
  
  
  
  
上面这个例子和下面的语句是等效的：  
  
  
  
initial  
begin  
$dumpvar (0, top.signal1);  
$dumpvar (3, top.module1);  
end  
  
$dumpvar 的特别用法(不带任何参数)：  
initial  
$dumpvar; //无参数，表示设计中的所有信号都将被记录  
  
  
最后，我们将$dumpfile 和$dumpvar 这两个系统任务的使用方法在下面的例子中综合说明，假设我们有一个设计实例，  
名为 i\_design，此设计中包含模块 module1，模块 module1 下面还有很多层次，我们希望对这个设计进行仿真，并将仿  
真过程中模块 module1 及其以下所有层次中所有信号的变化情况，记录存储到名为 mydesign.dump 的 VCD 文件中去，  
则例示如下：  
  
  
initial  
begin  
$dumpfile ("mydesign.dump"); //指定 VCD 文件名为 mydesign.dump  
$dumpvar (0, i\_design.module1); //记录 i\_design.module1 模块及其下面层次中所有模块的所有信号  
end  
  
  
对于生成 fsdb 文件而言，也是类似的  
\[plain\] view plain copy  
  
initial  
begin  
$fsdbDumpfile("tb\_xxx.fsdb");  
$fsdbDumpvars(0,tb\_xxx);  
end  
  
  
2）文件输出结果  
integer out\_file; // out\_file 是一个文件描述，需要定义为 integer 类型  
out\_file = $fopen ( " cpu.data " ); // cpu.data 是需要打开的文件，也就是最终的输出文本  
设计中的信号值可以通过$fmonitor, $fdisplay,$fwrite  
其中$fmonitor 只要有变化就一直记录， $fdisplay 和$fwrite 需要触发条件才记录  
例子：  
  
  
  
initial begin  
$fmonitor(file\_id, "%m: %t in1=%d o1=%h", $time, in1, o1);  
end  
always@(a or b)  
begin  
$fwrite(file\_id,"At time%t a=%b b=%b",$realtime,a,b);  
end  
  
  
  
  
3 参考“A Verilog HDL Test Bench Primier.pdf”  
1) DUT(Design Under Test)部分  
  
  
  
//-------------------------------------------------  
// File: count16.v  
// Purpose: Verilog Simulation Example  
//-------------------------------------------------  
\`timescale 1 ns / 100 ps  
module count16 (  
clk,  
rst\_n,  
load\_l,  
enable\_l,  
cnt\_in,  
oe\_l,  
  
count,  
count\_tri  
);  
  
input clk;  
input rst\_n;  
  
input load\_l;  
input enable\_l;  
input \[3:0\] cnt\_in;  
input oe\_l;  
  
output \[3:0\] count;  
output \[3:0\] count\_tri;  
  
reg \[3:0\] count;  
  
// tri-state buffers  
assign count\_tri = (!oe\_l) ? count : 4'bZZZZ;  
  
  
// synchronous 4 bit counter  
  
always @ (posedge clk or negedge rst\_n)  
if (!rst\_n) begin  
count <= 4'd0;  
end  
else begin  
if (!load\_l) begin  
count <= cnt\_in;  
end  
else if (!enable\_l) begin  
count <= count + 1;  
end  
end  
  
endmodule //of count16  
  
  
2) Test Bench  
  
  
  
//-------------------------------------------------  
// File: tb.v  
// Purpose: Verilog Simulation Example  
// Test Bench  
//-----------------------------------------------------------  
\`timescale 1ns / 100ps  
module tb ();  
  
//---------------------------------------------------------  
// inputs to the DUT are reg type  
reg clk\_50;  
reg rst\_n;  
reg load\_l;  
reg enable\_l;  
  
reg \[3:0\] count\_in;  
reg oe\_l;  
  
//--------------------------------------------------------  
// outputs from the DUT are wire type  
wire \[3:0\] cnt\_out;  
wire \[3:0\] count\_tri;  
  
  
//----------------------------------------------------------  
// create a 50Mhz clock  
always \#10 clk\_50 = ~clk\_50; // every ten nanoseconds invert  
  
  
//-----------------------------------------------------------  
// initial blocks are sequential and start at time 0  
initial  
begin  
$display($time, " << Starting the Simulation >>");  
clk\_50 = 1'd0;  
  
// at time 0  
rst\_n = 0;  
  
// reset is active  
enable\_l = 1'd1;  
  
// disabled  
load\_l = 1'd1;  
  
// disabled  
count\_in = 4'h0;  
oe\_l = 4'b0;  
  
// enabled  
\#20 rst\_n = 1'd1;  
  
// at time 20 release reset  
$display($time, " << Coming out of reset >>");  
  
@(negedge clk\_50); // wait till the negedge of  
// clk\_50 then continue  
load\_count(4'hA);  
  
// call the load\_count task  
  
@(negedge clk\_50);  
$display($time, " << Turning ON the count enable >>");  
  
enable\_l = 1'b0;  
// turn ON enable  
// let the simulation run,  
// the counter should roll  
wait (cnt\_out == 4'b0001); // wait until the count  
  
// equals 1 then continue  
$display($time, " << count = %d - Turning OFF the count enable >>",cnt\_out);  
enable\_l = 1'b1;  
\#40;  
  
// let the simulation run for 40ns  
// the counter shouldn't count  
$display($time, " << Turning OFF the OE >>");  
oe\_l = 1'b1;  
  
  
// disable OE, the outputs of  
// count\_tri should go high Z.  
\#20;  
$display($time, " << Simulation Complete >>");  
$stop;  
  
// stop the simulation  
end  
  
  
//--------------------------------------------------------------  
// This initial block runs concurrently with the other  
// blocks in the design and starts at time 0  
  
initial begin  
// $monitor will print whenever a signal changes  
// in the design  
$monitor(  
$time,  
" clk\_50=%b, rst\_n=%b, enable\_l=%b, load\_l=%b, count\_in=%h, cnt\_out=%h, oe\_l=%b, count\_tri=%h",  
clk\_50, rst\_n, enable\_l, load\_l, count\_in, cnt\_out, oe\_l, count\_tri  
);  
end  
  
  
//--------------------------------------------------------------  
// The load\_count task loads the counter with the value passed  
task load\_count;  
input \[3:0\] load\_value;  
  
begin  
@(negedge clk\_50);  
$display($time, " << Loading the counter with %h >>", load\_value);  
load\_l = 1'b0;  
count\_in = load\_value;  
  
@(negedge clk\_50);  
load\_l = 1'b1;  
end  
endtask //of load\_count  
  
  
  
//---------------------------------------------------------  
// instantiate the Device Under Test (DUT)  
// using named instantiation  
count16 count16\_m0 (  
.clk (clk\_50),  
.rst\_n (rst\_n),  
.load\_l (load\_l),  
.cnt\_in (count\_in),  
.enable\_l (enable\_l),  
.oe\_l (oe\_l),  
  
.count (cnt\_out),  
.count\_tri (count\_tri)  
);  
  
  
  
//---------------------------------------------------------  
// read and write data  
reg \[7:0\] mem\[10:1\];//read data from file  
  
initial $readmemh ("F:/IC/prj/testbench/prj0/data/mem.dat", mem ); // 将.dat 文件读入寄存器 mem 中  
  
  
//设计中的信号值可以通过$fmonitor, $fdisplay,$fwrite  
//其中$fmonitor 只要有变化就一直记录， $fdisplay 和$fwrite 需要触发条件才记录  
  
integer file\_out; // out\_file 是一个文件描述，需要定义为 integer 类型  
initial file\_out = $fopen("F:/IC/prj/testbench/prj0/data/wr\_mem.dat", "w");  
  
// wr\_mem.dat 是需要打开的文件，也就是最终的输出文本  
  
always @(posedge clk\_50)  
if (/\*tb.count16\_m0.\*/enable\_l == 1'd0) begin  
$fwrite (file\_out, "%h\\n", cnt\_out\[3:0\]);  
// $fdisplay(file\_out, "%h", cnt\_out\[3:0\]);  
end  
  
  
endmodule //of cnt16\_tb  
  
  
3) sim.do文件  
  
  
  
\#Time: 2016-07-26  
\#By : times\_poem  
  
quit -sim  
  
cd F:/IC/prj/testbench/prj0  
  
if \[file exists work\] \{  
vdel -all  
\}  
  
vlib work  
  
vlog ./\*.v  
vlog ./src/\*.v  
  
vsim -t ps -novopt work.tb  
  
log -r /\*  
do wave.do

run -all

## 3 testbench 的技巧 ##

1)如果激励中有一些重复的项目，可以考虑将这些语句编写成一个 task，这样会给书写和仿真带来很大方便。例如，  
一个存储器的 testbench 的激励可以包含 write， read 等 task。  
  
2)如果 DUT 中包含双向信号(inout)，在编写 testbench 时要注意。需要一个 reg 变量来表示其输入，还需要一个 wire  
变量表示其输出。  
  
3)如果 initial 块语句过于复杂，可以考虑将其分为互补相干的几个部分，用数个 initial 块来描述。在仿真时，这些  
initial 块会并发运行。这样方便阅读和修改。  
  
4)每个 testbench 都最好包含$stop 语句，用以指明仿真何时结束。  
  
5)加载测试向量时，避免在时钟的上下沿变化，比如数据最好在时钟上升沿之前变化，这也符合建立时间的要求。  
4 一个简单的例子  
DUT: 测试对象*DUT*(Device Under Test)，dut: device under test.这个只是表示你要调用单元的例化名而已，此名字可以改成任何verilog可识别的字符。  
  
  
  
module counter (  
clk,  
reset,  
enable,  
count  
);  
  
input clk;  
input reset;  
input enable;  
  
output \[3:0\] count;  
reg \[3:0\] count;  
  
always @ (posedge clk)  
if (reset == 1'b1) begin  
count <= 0;  
end else if ( enable == 1'b1) begin  
count <= count + 1;  
end  
endmodule  
  
  
testbench：  
  
  
module counter\_tb;  
reg clk;  
reg reset;  
reg enable;  
wire \[3:0\] count;  
  
counter U0 (  
.clk (clk),  
.reset (reset),  
.enable (enable),  
.count (count)  
);  
  
initial begin  
clk = 0;  
reset = 0;  
enable = 0;  
end  
  
always \#5 clk = ! clk;  
  
initial begin  
$dumpfile ("counter.vcd");  
$dumpvars;  
end  
  
initial begin  
$display("\\t\\ttime,\\tclk,\\treset,\\tenable,\\tcount");  
  
$monitor("‰d,\\t‰b,\\t‰b,\\t‰b,\\t‰d",$time, clk,reset,enable,count);  
end  
  
initial \#100 $finish;  
//Rest of testbench code after this line  
endmodule

# 4. 高级用法 #

比如 PLI 之类。有需要的，大家再讨论  
总体感觉， testbench 是个很难的事情， 这里讨论的只是一些最基本的东西。 真正有技术含量的是 testcase 的设计，设计  
阶段合理层次设计以及模块划分等等，我没有做过很大的项目，所以这方面也没有办法提供更多的帮助。经验丰富的  
大牛不妨出来讲讲经验， ^\_^  
  
testbench 用的较多的东西是：  
1、输入数据文件的产生，一般由 matlab 产生，这方面经常涉及浮点到定点的转换、进制的转换的问题；  
2、输入数据文件的输出文件的设置；  
3、 VCD、 fsdb 等和其他 eda 软件接口的文件的输出；  
4、一定范围内的随机数的产生  
5、双向端口的仿真  
6、与上层 dsp 等 cpu 接口的时序仿真。  
....  
  
panwest： testbench 设计的掌握的技术可多可少，模块级的 HDL 就可以搞定了：  
激励产生：高级语言实现（ C, C++, Java 等）  
DUT： HDL 实现  
参考单元：高级语言实现（ C, C++, Java 等）  
初始化：脚本语言（ perl， Tcl/TK）  
波形输出：一般脚本自动对比了  
数据通过 PLI 进行联系  
  
日后 systemVerilog， e 等语言完善后会减轻一些建立平台的工作量。

synopsys vera support verification.  
bench : vera produce

DUT:

ref module: vera  
monitor: vera  
coverage analysis : VCS or vera  
vera can load c, C++ file .  
  
systemverilog 应该是以后的趋势  
一些 random scenario 与 tlm base model 都可以用systemverilog 完成  
而一个好的 framework 很重要现在有两各 framework 可以选择vmm, ovm  
不过要用上述的 framework 需要很大的 oop 基础要花很长时间学习  
关于 systemC 或者 system verilog，大家可以查找相关文档。