大家好，又到了每日學習的時間了，今天我們來聊一聊FPGA中測試文件編寫的相關知識，聊一聊激勵仿真。
對於testbench而言，埠應當和被測試的module一一對應。埠分為input,output和inout類型產生激勵信號的時候，input對應的埠應當申明為reg, output對應的埠申明為wire，inout埠比較特殊，下面專門講解。
一般用initial塊給信號賦初值，initial塊執行一次，always或者forever表示由事件激發反覆執行。
舉例，一個module
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
大家應該注意到有個#符號，該符號的意思是指延遲相應的時間單位。該時間單位由timscale決定.一般在testbench的開頭定義時間單位和仿真 精度，比如`timescale 1ns/1ps，前面一個是代表時間單位，後面一個代表仿真時間精度。以上面的例子而言，一個時鐘周期是20個單位，也就是20ns。而仿真時間精度的概 念就是，你能看到1.001ns時對應的信號值，而假如timescale 1ns/1ns，1.001ns時候的值就無法看到。對於一個設計而言，時間刻度應該統一，如果設計文件和testbench裡面的時間刻度不一致，仿真 器默認以testbench為準。一個較好的辦法是寫一個global.v文件，然後用include的辦法，可以防止這個問題。
對於反覆執行的操作，可寫成task,然後調用，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); // 調用task
end
其他像forever,for,function等等語句用法類似，雖然不一定都能綜合，但是用在testbench裡面很方便，大家可以自行查閱參考文檔
有時候，需要大量的數據輸入，直接賦值的話比較繁瑣，可以先生成數據，再將數據讀入到寄存器中，需要時取出即可。用 $readmemb系統任務從文本文件中讀取二進位向量（可以包含輸入激勵和輸出期望值）。$readmemh 用於讀取十六進位文件。例如：
reg [7:0] mem[1:256] // a 8-bit, 256-word 定義存儲器mem
initial $readmemh ( "E:/readhex/mem.dat", mem ) // 將.dat文件讀入寄存器mem中
initial $readmemh ( "E:/readhex/mem.dat", mem, 128, 1 ) // 參數為寄存器加載數據的地址始終
對於簡單的module來說，要在modelsim的仿真窗口裡面看波形，就用add wave ..命令
比如，testbench的頂層module名叫tb,要看時鐘信號，就用add wave tb.clk
要查看所有信號的時候，就用 add wave /*
當然，也可以在workspace下的sim窗口裡面右鍵單擊instance來添加波形
對於複雜的仿真，免不了要記錄波形和數據到文件裡面去。
1）波形文件記錄
常見的波形文件一般有兩種，vcd和fsdb，debussy是個很好的工具，支持fsdb，所以最好是modelsim+debussy的組合
默認情況下，modelsim不認識fsdb，所以需要先裝debussy，再生成fsdb文件。
$dumpfile和$dumpvar是verilog語言中的兩個系統任務，可以調用這兩個系統任務來創建和將指定信息導入VCD文件.
對於fsdb文件來說，對應的命令是fsdbDumpfile,dumpfsdbvars
(什麼是VCD文件? 答：VCD文件是在對設計進行的仿真過程中，記錄各種信號取值變化情況的信息記錄文件。EDA工具通過讀取VCD格式的文件，顯示圖形化的仿真波形，所以，可以把VCD文件簡單地視為波形記錄文件.)下面分別描述它們的用法並舉例說明之。
$dumpfile系統任務：為所要創建的VCD文件指定文件名。
舉例（"//"符號後的內容為注釋文字）：
initial
$dumpfile ("myfile.dump"); //指定VCD文件的名字為myfile.dump，仿真信息將記錄到此文件
$dumpvar系統任務：指定需要記錄到VCD文件中的信號，可以指定某一模塊層次上的所有信號，也可以單獨指定某一個信號。
典型語法為$dumpvar(level, module_name); 參數level為一個整數，用於指定層次數，參數module則指定要記錄的模塊。整句的意思就是，對於指定的模塊，包括其下各個層次(層次數由 level指定)的信號，都需要記錄到VCD文件中去。
舉例：
initial
$dumpvar (0, top); //指定層次數為0，則top模塊及其下面各層次的所有信號將被記錄
initial
$dumpvar (1, top); //記錄模塊實例top以下一層的信號
//層次數為1，即記錄top模塊這一層次的信號
//對於top模塊中調用的更深層次的模塊實例，則不記錄其信號變化
initial
$dumpvar (2, top); //記錄模塊實例top以下兩層的信號
//即top模塊及其下一層的信號將被記錄
假設模塊top中包含有子模塊module1，而我們希望記錄top.module1模塊以下兩層的信號，則語法舉例如下：
initial
$dumpvar (2, top.module1); //模塊實例top.module1及其下一層的信號將被記錄
假設模塊top包含信號signal1和signal2(注意是變量而不是子模塊), 如我們希望只記錄這兩個信號，則語法舉例如下：
initial
$dumpvar (0, top.signal1, top.signal2); //雖然指定了層次數，但層次數是不影響單獨指定的信號的
//即指定層次數和單獨指定的信號無關
我們甚至可以在同一個$dumpvar的調用中，同時指定某些層次上的所有信號和某個單獨的信號，假設模塊top包含信號signal1，同時包含有子模 塊module1，如果我們不但希望記錄signal1這個獨立的信號，而且還希望記錄子模塊module1以下三層的所有信號，則語法舉例如下：
initial
$dumpvar (3, top.signal1, top.module1); //指定層次數和單獨指定的信號無關
//所以層次數3隻作用於模塊top.module1, 而與信號
top.signal1無關
上面這個例子和下面的語句是等效的：
initial
begin
$dumpvar (0, top.signal1);
$dumpvar (3, top.module1);
end
$dumpvar的特別用法(不帶任何參數)：
initial
$dumpvar; //無參數，表示設計中的所有信號都將被記錄
最後，我們將$dumpfile和$dumpvar這兩個系統任務的使用方法在下面的例子中綜合說明，假設我們有一個設計實例，名為 i_design，此設計中包含模塊module1，模塊module1下面還有很多層次，我們希望對這個設計進行仿真，並將仿真過程中模塊 module1及其以下所有層次中所有信號的變化情況，記錄存儲到名為mydesign.dump的VCD文件中去，則例示如下：
initial
begin
$dumpfile ("mydesign.dump"); //指定VCD文件名為mydesign.dump
$dumpvar (0, i_design.module1); //記錄i_design.module1模塊及其下面層次中所有模塊的所有信號
end
對於生成fsdb文件而言，也是類似的
initial
begin
$fsdbDumpfile("tb_xxx.fsdb");
$fsdbDumpvars(0,tb_xxx);
end
2）文件輸出結果
integer out_file; // out_file 是一個文件描述，需要定義為 integer類型
out_file = $fopen ( " cpu.data " ); // cpu.data 是需要打開的文件，也就是最終的輸出文本
設計中的信號值可以通過$fmonitor, $fdisplay,$fwrite
其中$fmonitor只要有變化就一直記錄，$fdisplay和$fwrite需要觸發條件才記錄
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
1）.如果激勵中有一些重複的項目，可以考慮將這些語句編寫成一個task，這樣會給書寫和仿真帶來很大方便。例如，一個存儲器的testbench的激勵可以包含write，read等task。
2）.如果DUT中包含雙向信號(inout)，在編寫testbench時要注意。需要一個reg變量來表示其輸入，還需要一個wire變量表示其輸出。
3）.如果initial塊語句過於複雜，可以考慮將其分為互補相干的幾個部分，用數個initial塊來描述。在仿真時，這些initial塊會並發運行。這樣方便閱讀和修改。
4）.每個testbench都最好包含$stop語句，用以指明仿真何時結束。
5）.加載測試向量時，避免在時鐘的上下沿變化，比如數據最好在時鐘上升沿之前變化，這也符合建立時間的要求。
module counter (clk, reset, enable, count);
input clk, reset, 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, reset, 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
晶片外部引腳很多都使用inout類型的，為的是節省管腿。一般信號線用做總線等雙向數據傳輸的時候就要用到INOUT類型了。就是一個埠同時做輸入和 輸出。inout在具體實現上一般用三態門來實現。三態門的第三個狀態就是高阻'Z'。當inout埠不輸出時，將三態門置高阻。這樣信號就不會因為兩端同時 輸出而出錯了,更詳細的內容可以搜索一下三態門tri-state的資料.
1 使用inout類型數據,可以用如下寫法:
inout data_inout;
input data_in;
reg data_reg;//data_inout的映象寄存器
reg link_data;
assign data_inout=link_data?data_reg:1』bz;//link_data控制三態門
//對於data_reg,可以通過組合邏輯或者時序邏輯根據data_in對其賦值.通過控制link_data的高低電平,從而設置data_inout是輸出數據還是處於高阻態,如果處於高阻態,則此時當作輸入埠使用.link_data可以通過相關電路來控制.
2 編寫測試模塊時,對於inout類型的埠,需要定義成wire類型變量,而其它輸入埠都定義成reg類型,這兩者是有區別的.
當上面例子中的data_inout用作輸入時,需要賦值給data_inout,其餘情況可以斷開.此時可以用assign語句實現:assign data_inout=link?data_in_t:1』bz;其中的link ,data_in_t是reg類型變量,在測試模塊中賦值.
另外,可以設置一個輸出埠觀察data_inout用作輸出的情況:
Wire data_out;
Assign data_out_t=(!link)?data_inout:1』bz;
else，in RTL
inout use in top module(PAD)
dont use inout(tri) in sub module
也就是說，在內部模塊最好不要出現inout，如果確實需要，那麼用兩個port實現，到頂層的時候再用三態實現。理由是：在非頂層模塊用雙向口的話，該 雙向口必然有它的上層跟它相連。既然是雙向口，則上層至少有一個輸入口和一個輸出口聯到該雙向口上，則發生兩個內部輸出單元連接到一起的情況出現，這樣在 綜合時往往會出錯。
對雙向口，我們可以將其理解為2個分量：一個輸入分量，一個輸出分量。另外還需要一個控制信號控制輸出分量何時輸出。此時，我們就可以很容易地對雙向埠建模。
例子：
CODE:
module dual_port (
....
inout_pin,
....
);
inout inout_pin;
wire inout_pin;
wire input_of_inout;
wire output_of_inout;
wire out_en;
assign input_of_inout = inout_pin;
assign inout_pin = out_en ? output_of_inout : 高阻;
endmodule
可見，此時input_of_inout和output_of_inout就可以當作普通信號使用了。
在仿真的時候，需要注意雙向口的處理。如果是直接與另外一個模塊的雙向口連接，那麼只要保證一個模塊在輸出的時候，另外一個模塊沒有輸出（處於高阻態）就可以了。
如果是在ModelSim中作為單獨的模塊仿真，那麼在模塊輸出的時候，不能使用force命令將其設為高阻態，而是使用release命令將總線釋放掉
很多初學者在寫testbench進行仿真和驗證的時候，被inout雙向口難住了。仿真器老是提示錯誤不能進行。下面是我個人對inout埠寫 testbench仿真的一些總結，並舉例進行說明。在這裡先要說明一下inout口在testbench中要定義為wire型變量。
先假設有一原始碼為：
module xx(data_inout , ...);
inout data_inout;
....
assign data_inout=(! link)?datareg:1'bz;
endmodule
方法一：使用相反控制信號inout口，等於兩個模塊之間用inout雙向口互連。這種方法要注意assign 語句只能放在initial和always塊內。
module test();
wire data_inout;
reg data_reg;
reg link;
initial begin
end
assign data_inout=link?data_reg:1'bz;
endmodule
方法二：使用force和release語句，但這種方法不能準確反映雙向埠的信號變化，但這種方法可以反在塊內。
module test();
wire data_inout;
reg data_reg;
reg link;
#xx; //延時
force data_inout=1'bx; //強制作為輸入埠
#xx;
release data_inout; //釋放輸入埠
endmodule
很多讀者反映仿真雙向埠的時候遇到困難，這裡介紹一下雙向埠的仿真方法。一個典型的雙向埠如圖1所示。
其中inner_port與晶片內部其他邏輯相連，outer_port為晶片外部管腳，out_en用於控制雙向埠的方向，out_en為1時，埠為輸出方向，out_en為0時，埠為輸入方向。
用Verilog語言描述如下：
module bidirection_io(inner_port,out_en,outer_port);
input out_en;
inout[7:0] inner_port;
inout[7:0] outer_port;
assign outer_port=(out_en==1)?inner_port:8'hzz;
assign inner_port=(out_en==0)?outer_port:8'hzz;
endmodule
用VHDL語言描述雙向埠如下：
library ieee;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
entity bidirection_io is
port ( inner_port : inout std_logic_vector(7 downto 0);
out_en : in std_logic;
outer_port : inout std_logic_vector(7 downto 0) );
end bidirection_io;
architecture behavioral of bidirection_io is
begin
outer_port<=inner_port when out_en='1' else (OTHERS=>'Z');
inner_port<=outer_port when out_en='0' else (OTHERS=>'Z');
end behavioral;
仿真時需要驗證雙向埠能正確輸出數據，以及正確讀入數據，因此需要驅動out_en埠，當out_en埠為1時，testbench驅動 inner_port埠，然後檢查outer_port埠輸出的數據是否正確；當out_en埠為0時，testbench驅動 outer_port埠，然後檢查inner_port埠讀入的數據是否正確。由於inner_port和outer_port埠都是雙向埠（在 VHDL和Verilog語言中都用inout定義），因此驅動方法與單向埠有所不同。
驗證該雙向埠的testbench結構如圖2所示。
這是一個self-checking testbench，可以自動檢查仿真結果是否正確，並在Modelsim控制臺上列印出提示信息。圖中Monitor完成信號採樣、結果自動比較的功能。
testbench的工作過程為
1）out_en=1時，雙向埠處於輸出狀態，testbench給inner_port_tb_reg信號賦值，然後讀取outer_port_tb_wire的值，如果兩者一致，雙向埠工作正常。
2）out_en=0時，雙向埠處於輸如狀態，testbench給outer_port_tb_reg信號賦值，然後讀取inner_port_tb_wire的值，如果兩者一致，雙向埠工作正常。
用Verilog代碼編寫的testbench如下，其中使用了自動結果比較，隨機化激勵產生等技術。
`timescale 1ns/10ps
module tb();
reg[7:0] inner_port_tb_reg;
wire[7:0] inner_port_tb_wire;
reg[7:0] outer_port_tb_reg;
wire[7:0] outer_port_tb_wire;
reg out_en_tb;
integer i;
initial
begin
out_en_tb=0;
inner_port_tb_reg=0;
outer_port_tb_reg=0;
i=0;
repeat(20)
begin
#50
i=$random;
out_en_tb=i[0]; //randomize out_en_tb
inner_port_tb_reg=$random; //randomize data
outer_port_tb_reg=$random;
end
end
//**** drive the ports connecting to bidirction_io
assign inner_port_tb_wire=(out_en_tb==1)?inner_port_tb_reg:8'hzz;
assign outer_port_tb_wire=(out_en_tb==0)?outer_port_tb_reg:8'hzz;
//instatiate the bidirction_io module
bidirection_io bidirection_io_inst(.inner_port(inner_port_tb_wire),
.out_en(out_en_tb),
.outer_port(outer_port_tb_wire));
//***** monitor ******
always@(out_en_tb,inner_port_tb_wire,outer_port_tb_wire)
begin
#1;
if(outer_port_tb_wire===inner_port_tb_wire)
begin
$display("\n **** time=%t ****",$time);
$display("OK! out_en=%d",out_en_tb);
$display("OK! outer_port_tb_wire=%d,inner_port_tb_wire=%d",
outer_port_tb_wire,inner_port_tb_wire);
end
else
begin
$display("\n **** time=%t ****",$time);
$display("ERROR! out_en=%d",out_en_tb);
$display("ERROR! outer_port_tb_wire != inner_port_tb_wire" );
$display("ERROR! outer_port_tb_wire=%d, inner_port_tb_wire=%d",
outer_port_tb_wire,inner_port_tb_wire);
end
end
endmodule
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