[未完成][文档].艾米电子 测试平台（testbench）中的结构，Verilog

内容

与可综合Verilog代码所不同的是，testbench Verilog是在计算机主机上的仿真器中执行的。testbench Verilog的许多构造与C语言相似，我们可在代码中包括复杂的语言结构和顺序语句的算法。

1 always块和initial块

Verilog有两种进程语句：always块和initial块。always块内的进程语句，可用来模拟抽象的电路。

出于模拟的目的，always块可以包括：用以指定与不同结构之间的传播延迟等同的时序结构；或等待指定事件的时序结构。敏感列表有时可忽略。比方说，我们用下面的代码片段来模拟时钟信号，该信号每20个时间单位在0~1间变换一次，且永远执行下去。

always
begin
  clk=1;
  #20;
  clk=0;
  #20);
end

initial块内也有进程语句，但是仅在仿真之初被执行。其简单语法如下：

initial
begin
 进程语句;
end

initail块常用于设置变量的初始值。注意，initial块不可被综合。

2 进程语句

进程语句应用于initial块、always块、function和task之中。最常用的进程语句为：

• 阻塞赋值
• 非阻塞赋值
• if表达式
• case表达式
• 循环表达式

我们讨论过阻塞和阻塞赋值，if和case语句。

Verilog支持的循环结构有：for、while、repeat和forever。for循环的简单语法为：

for([initial_assignment]; [end_condition]; [step_assignment])
begin
  [procedural_statements;]
end

举个例子，我们可以使用下面的语句来清除16位寄存器文件的内容：

integer i;
. . .
for(i=0; i<16; i=i+1)
  reg_file[i]=0;

注意当循环体内只有一条语句的话，begin和end限定词可以略去。

while循环的简单语法如下：

while([end_condition])
begin
  [procedural_statements;]
end

循环体内的语句连续重复执行，直到达到指定的终止条件[end_condition]为止。比方说上面的清寄存器文件的操作可以使用while循环来描述：

integer i;
. . .
while(i<16)
begin
  reg_file[i]=0;
  i=i+1;
en

repeat循环的简单语法如下：

repeat([number])
begin
  [procedual_statements;]
end

循环体内的语句被重复执行指定数次，该数可通过[number]来指定。比方说，我们可以将上面的操作替换为repeat循环：

integer i;
. . .
repeat(16)
begin
  [procedural_statements;]
end

forever循环，正如其名，重复执行其主体直至仿真结束位置。循环体内常包括一定的时序控制结构，以致周期性推迟执行。比方说，我们换一种方式来描述时钟信号，该信号每10个时间单位翻转一次，且永远运行下去。

initial
begin
  clk=1'b0;
  forever
    #10 clk=~clk;
end

3 时序控制

在testbench中，必须指定不同信号有效和无效或等待某事件或条件的时间。有三种时序控制结构：

• 时延控制：#[delay_time]
• 事件控制：@([event], [event], …]
• 等待语句：wait([boolean_expression])

此外还有一个编译器指令，`timescale，也与时序规范有关。

4 时延控制

时延控制使用#符号来指示，其后为延迟的时间单位数值。

如果时延控制放置在左手边，那么整条语句的执行都会被延迟。比方说，

. . .
#10 a=1'b0;
#5  y=a|b;
. . .

假设当前时间为t，上面的语句表示，a于t+10时刻得到0值；又过了5个时间单位后（即于t+15时刻）a|b表达式被计算，其结果被赋给y。

如果实验控制被放置在右手边，那么表达式将会被立即运算，但是延迟后再赋给左手边。如：

. . .
#10 a=1'b0;
    y=#5 a|b;
. . .

a于t+10时刻得到0值；a|b表达式被立即运算（即在t+10时刻），但其结果却在t+15时刻才赋给y。

一般情况下，我们使用时延控制生成激励的方式来替代传播延迟的模拟。下面的格式使得代码显得更加直观。

. . .
a=1'b0; // a gets 0
#10;    // the 0 value lasts 10 time units
a-1'b1; // a changes to 10
#5;     // the 1 value lasts 5 time units
a=1'b0; // a changes to 0
#20     // the 0 value lasts 20 time units
. . .

…

5 事件控制

事件控制使用@符号来指示，其后为敏感列表，用于指定所需事件。其使用与always块内的事件类似。事件即敏感列表中的信号改变其值（信号跳变）的时刻。可加入posedge和negedge关键字以指定所需的跳变边沿（上升沿和下降沿）。在testbench中，直到指定事件发生，语句才可跳过延迟，继续执行。事件控制的一个常见应用为：使用时钟信号来同步激励的生成。比方说，下面的代码片段中，en信号被激活持续一个时钟周期。

localparam delta=1;
. . .
@(posedge clk); // wait for the rising edge of clk
#delta;         // wait for delta to avoid hold=time violation
en=1'b1;        // assert en to 1
@(posedge clk); // wait for the next rising edge of clk
#delta;         // wait for delta to avoid hold-time violation
en=1'b0;        // assert en to 0       

换一种方式，我们可以在时钟信号的下降沿断言或解除断言en。

. . .
@(negedge clk) // wait for the falling edge of clk
en=1'b1;       // assert en to 1
@(negedge clk) // wait for the next falling edge of clk
en=1'b0;
. . .

6 等待语句

wait语句用以等待指定条件。其简单语法如下：

wait [boolean_expression]

直到[boolean_expression]被计算为真，后面语句才可跳过延迟，继续执行。比方说，我们可以这样写代码：

wait(state==READ && mem_ready==1'b1) [statement_to_get_data];

我们也可以使用wait语句来延迟执行。比方说，我们可以等计数器数到15才激活某信号：

. . .
wait(counter==4'b1111); // wait until counter is 15
. . .                   // continue

wait语句有时很想事件控制。后者是等待某信号的跳变边沿，而前者是等待指定条件，有时可理解为电平敏感。

7 timescale指令

编译器指令用以控制编译和预处理verilog代码，他们通过重音符号（`）来指明。重音符号常位于键盘的左上角。与时间有关的指令是`timescale指令

`timescale [time_unit] / [time_precision]

time_unit指定计时和延时的测量单位，time_precision则是指定仿真器的精度。

比方说，指令

`timescale 10ns/1ns

则说明仿真单位为10ns，精度为1ns。当指定如下代码中的延时，

#5 y = a & b;

表明实际上的延时为50ns（即5*10ns）。

也可以指定小数形式的单位延时，比方说

#5.12345 y = a & b;

则说明实际延时为51.2345ns。因为精度是1ns， 所以在仿真中就取整为51ns。精度越少，仿真的准确性越高，但是会减慢仿真的速度。

time_unit和time_precision的数字部分可以为1、10和100，时间单元可以是s（秒）、ms（毫秒）、us（微秒）、ns（纳秒）和ps（皮秒）。

8 系统控制函数和任务

Verilog有一组预定义的系统函数，以$打头，执行与系统相关的操作，如仿真控制、文件读取等。下面我们讲一下一些常用的函数和任务。

数据类型转换函数

$unsigned和$signed函数执行介于无符号数和有符号数类型之间的转换。

仿真时间函数

仿真时间函数返回当前的仿真时间，如$time、$stime和$realtime函数分别以64位整数、32位整数和实数的形式返回时间。

仿真控制任务

有两种仿真控制函数：$finish和$stop。其中，$finish任务用于终止仿真并跳出仿真器；$stop任务则用于中止仿真。在Modelsim中，$stop任务则是返回到交互模式。在开发流程中，我们有时会停在Modelsim环境中，来进一步编辑或测试波形，因此代码中使用的是$stop。

显示任务

在Modelsim中，仿真的结果可以以波形的形式显示，也可以以文本的形式显示。四种主要的显示任务有$display、$write、$strobe和$monitor，它们语法类似。在Modelsim中，文本是在控制面板显示的。

$display的语法与C语言中的打印函数类似。其简单语法为：

$display([format_string], [argument], [argument], ...);

如：

$display("at %d; signal x = %b", $time, x);

其结果的形式如下：

at 5100； signal x = 00110001

最常用的转移符号有%d、%b、%o、%h、%c、%s和%g，对应分别为十进制、二进制、八进制、十六进制、字符、字符串和实数。

$write任务几乎和$diplay等同，除了其执行之后并不跳到下一行显示。而是一直显示在当前位置。显示下一行字符\n，必须手动添加，以创建一个行中断。

Verilog可结合time step的概念来塑造仿真延时。每个time step中可以发生很多活动。$strobe与$display任务类似。代替立即执行的是，$strobe任务是在当前仿真的time step的结尾执行的。它可以规避由于竞争冒险造成的不匹配的数据显示。

$monitor任务是非常通用的命令。鉴于$displat、$write、$strobe任务是在一旦它们被执行的情况下才显示文本，$monitor任务则是当其参数发生变化时即显示文本。$monitor任务提供了简单的富有弹性的方式来跟踪仿真。比方说，我们可以在testbench中添加如下的代码：

initial
begin
  $display("time   test_in0   test_in1   test_out");
  $monitot("%d       %b          %b         %b",
            $time, test_in0, test_in1, test_out);
end

Modelsim的控制面板中显示的文本仿真结果如下（示例）：

  time   test_in0   test_in1   test_out
     0      00         00          1
   200      01         00          0
   400      01         11          0
  . . .

文件I/O系统函数和任务

Veirlog提供一组用于访问外部数据文件的函数和任务。文件可以通过$fopen和$fclose函数来打开和关闭。$fopen的语法为：

[mcd_names] = $fopen("[file_name]");

$fopen函数返回一个与文件相关的32位的多通道描述子。这个描述子我们可以认为是一个32位的标志，它代表一个文件（亦即一个通道）。最低位LSB保留，用以只是标准输出（console）。当使用函数调用的文件被成功打开，则返回的描述子的值得某位会被置一。例如，0…0010表示打开第一个文件，0…0100表示打开第二个文件，依次类推。若函数的返回值为0，则表示文件未能成功打开。

一旦某个文件被打开，我们就可以向其内写入数据。可用的四种显示系统任务为：$fdisplay，$fwrite，$fstrobe和$fmonitor。这些任务的用法类似于先前的$display等，除了其第一参数为描述子以外。

$fdisplay([mcd_name], [format_string], ...);

下面给出一个简单的代码片段。

integer log_file, both_file;
localparam con_file = 32'h0000_0001; // console

initial begin
    log_file  = $fopenZ("my_log");
    if(log_file == 0)
        $display("Fail to open log file"); // write console
    both_file = log_file | con_file;
    
    // write to both console and log_file
    $fdisplay(both_file, "Simulation started");
    . . .
    // write to log_file only
    $fdisplay(log_file, ...);
    . . .
    // write to 
    $fdisplay(both_file, "Simulation ended");
    $fclose(log_file);
end

注意我们可以通过对多个描述子进行位运算来创建一个描述子，比方说both_file变量。当both_file被使用时，就可以同时对console和log_file进行操作。

有两个任务可以从文件中载入数据，分别为:$readmemb，$readmemh。这些任务假设外置文件中存储了memory-array的内容，然后读出这些内容存到一个变量中。$readmemb，$readmemh所假设的文件格式分别为二进制和十六进制，相应地，它们的语法格式为：

$readmemb("[file_name]", [mem_variable]);
$readmemh("{file_name]", [mem_variable]);

下面的片段描述如何载入一个8x4的存储阵列：

reg [3:0] v_mem [0:7];
. . .
$readmemb("vector.txt", v_mem);	

vector.txt应该包含八个4bit的使用空格分割的二进制数据。

有了文件操作函数和任务，就可以使用外部文件来指定测试模型，以及记录仿真结果。下面给出一个案例。

`timescale 1ns/1ns
module eq2_file_tb;
// signal declaration
reg [1:0] test_in0, test_in1;
wire test_out;
integer log_file, console_file, out_file;
reg [3:0] v_mem [0:7];
integer i;

// instantiate the circuit under test
eq2_sop eq2_sop_inst (
    .a(test_in0),
    .b(test_in1),
    .aeqb(test_out)
);

initial begin
    // setup output file 
    log_file = $fopen("eqlog.txt");
    if(!log_file) $fdisplay("Cannot open log file");
    console_file = 32'h0000_0001;
    out_file = log_file | console_file;
    
    // read test vector 
    #readmemb("vector.txt", v_mem);
    
    // test generator iterating throught 8 pattens
    for(i=0; i<8; i=i+1) begin
        {test_in0, test_in1} = v_mem[i];
    end
    
    // stop simulation
    $fclose(log_file);
    $stop;
end

// text display
initial begin
    $fdisplay(out_file, "   time    test_in0    test_in1    test_out");
    $fdisplay(out_file, "           (a)         (b)         (aeqb)");
    $fmoitor(out_file, "    %10d    %b          %b          %b",
        $time, test_in0, test_in1, test_out);
end

endmodule

指定的test pattern为4位二进制格式，存储在vector.txt中。文件内容为：

00_00
01_00
01_11
10_10
10_00
11_11
11_01
00_10

注意：“_”只起连接数字，分隔开容易区分位数的作用，和verilog其他地方的用法一致。

上面的文件被载入到二维的v_mem变量中。仿真的结果被写入console和log_file中。log_file的内容为：

time    test_in0    test_in1    test_out
        (a)         (b)         (aeqb)
   0    00          00          1
 200    01          00          0
 400    01          11          0
 600    10          10          1
 800    10          11          0
1000    11          00          1
1200    11          01          0
1400    00          10          0  

log_file为一般的文本文件，可使用其他文本编辑器编辑。

9 用户自定义函数和任务

待续