VHDL的testbench的编写

来源：http://blog.ednchina.com/jlx_cuc/1993759/Message.aspx

大多数硬件设计人员对verilog的testbench比较熟悉，那是因为verilog被设计出来的目的就是为了用于测试使用，也正是因为这样verilog的语法规则才被设计得更像C语言，而verilog发展到后来却因为它更接近C语言的语法规则，设计起来更加方便，不像VHDL那也死板严密，所以verilog又渐渐受到硬件设计者们的青睐。但其实VHDL在最开始也是具有测试能力的，而且它的语法严密，但我们同样可以用它来编写我们的测试文件。

下面以一个8bit计数器为例子给出个简单的testbench模板及注释：

      

library ieee;
use ieee.std_logic_1164. all ;
use ieee.std_logic_arith. all ;
use ieee.std_logic_unsigned. all ;

entity tb_CNT is
end tb_CNT ;

architecture testbench of tb_CNT is
-- Component Declaration for the Unit Under Test(UUT)
component MY_CNT
port (
CLK,RESET: in std_logic ;
D_IN: in std_logic_vector ( 7 downto 0 );
LOAD: in std_logic ;
CE : in std_logic ;
UPDW: in std_logic ;
Q_OUT: out std_logic_vector ( 7 downto 0 )
);
end component ;

-- Inputs
signal CLK: std_logic : = ' 0 ' ;
signal RESET: std_logic : = ' 0 ' ;
signal D_IN: std_logic_vector ( 7 downto 0 ): = ( others => ' 0 ' );
signal LOAD: std_logic : = ' 0 ' ;
signal CE: std_logic : = ' 0 ' ;
signal UPDW: std_logic : = ' 0 ' ;
-- Outputs
signal Q_OUT: std_logic_vector ( 7 downto 0 );
constant CLK_period: TIME : = 1ns;
begin
-- 例化计数器模块
UUT: MY_CNT port map (
CLK => CLK,
RESET => RESET,
D_IN => D_IN,
LOAD => LOAD,
CE => CE,
UPDW => UPDW,
Q_OUT => Q_OUT
);
-- 时钟实现模块
-- 上面定义了CLK period时间常量来表示时钟周期
-- 以下通过一个process来实现时钟
CLK_process: process
begin
CLK <= ' 0 ' ;
wait for CLK_period / 2 ;
CLK <= ' 1 ' ;
wait for CLK_period / 2 ;
end process ;
-- 其它信号量的控制
-- 时序逻辑的仿真的时间单位都为CLK周期来实现的
-- 所以将时钟周期定义为常量是个很方便的做法

stim_proc: process
begin
-- hold reset state for 100ms.
wait for 100ms;

wait for CLK_period * 10 ;
-- insert stimulus here.
end process ;
end testbench;

 

 

通过编写testbench来仿真和通过拖波形来仿真，最大的好处就是，当测试数据无比庞大时，可以简易得通过testbench中的算法来实现，而另一个更为重要的方面就是，可以通过testbench对数据文件进行读写操作，从而简化我们的仿真工作。

首先介绍下时间控制语句——wait：（其实wait语句是通过控制仿真的两种状态——执行和挂起，来控制时间的）

1.wait——无线等待；语法【wait；】，类似于Verilog中的￥Stop

2.wait on——敏感信号量变化；语法【wait on 信号；】，表示当信号发生变化的时候，仿真开始继续执行，从而结束挂起状态

3.wait until——条件满足；语法【wait until 表达式】，表达式为一个布尔表达式，表示当表达式为“真”时，仿真继续执行，结束挂起状态

4.wait for——时间控制；语法【wait for 时间表达式】，例：【wait for 30ns；】

VHDL也提供了文件I/O的操作，以下简单介绍在我们大部分情况下如何通过VHDL来进行文件操作。

-- File process
file_process: process
file file_out: text is out " data_out.txt " ;
file file_in : text ;
variable fstatus: FILE_OPEN_STATUS;
-- 定义文件状态指示变量，一般有OPEN OK, STATUS ERROR , NAME ERROR , MODE ERROR 四种状态;
variable count: integer : = 5 ;
-- 定义integer 型写入数据；
variable stringdata: string ( 5 downto 1 ): = " whwhn " ;
-- 定义string 型写入数据;
variable vectordata: bit_vector ( 5 downto 0 ): = " 001000 " ;
-- 定义bit_vector 型写入数据;
variable value: std_logic_vector ( 3 downto 0 ): = " 1111 " ;
-- 定义std_logic_vector型的写入数据;
variable stddata: std_logic ;
variable BUFO: LINE ;
begin
-- file_open (fstatus,file_out, " data_out.txt " , write_mode );
file_open (fstatus,file_in, " data_in.txt " , read_mode );

 

file类型：文件句柄，用于定义文件。语法1【file 文件变量名：text is 读取或者写入类型 “文件名”；】text——文件类型为文本类型，读取类型为in，写入类型为out；语法2【file 文件变量名：text；】只是定义了文件变量名，并没有给赋予初值。

用第二种方式定义文件变量则需要用到函数file_open（）；语法【file_open(文件状态指示，文件变量，“文件名”，读写状态);】如上图实例。

LINE类型：如下图，为std库中TEXTIO文件中的定义

-- LINE类型：为std库中TEXTIO文件中的定义
for i in 0 to 29 loop
readline (file_in,BUF0);
read (BUF0,stddata);
LOAD <= stddata;
wait for CLK_period;
end loop ;

 

LINE 为存取类型的变量，它表示该变量是指向字符串的指针，它是TEXTIO 中所有操作的基本单元。读文件时，先按行（LINE）读出一行数据，再对LINE 操作来读取各种数据类型的数据；写文件时， 先将各种的数据类型组合成LINE，再将LINE 写入文件。在用户使用时， 必须注意只有变量才可以是存取类型， 而信号则不能是存取类型。

TEXTIO还定义了一些基本的文件操作过程：

【READLINE(文件变量，行变量)；】从指定的文件中读取一行。

【READ(行变量，数据变量)；】从一行中读取一个数据。

【WRITELINE(文件变量，行变量)；】将行变量中数据写入到指定文件。

【WRITE(行变量，数据变量)；】将数据写入到一行中。

【WRITE(行变量，数据变量，起始位置，字符数)；】比上个过程多了起始位置和字符数的指定。

--- 为循环从数据文件中读取出数据，赋值给信号量
write (file_out, string ' ("the first parameter is="));
write (BUF0,count);
writeline (file_out,BUF0);
wait for 20 ns;

write (file_out, string ' ("the second parameter is="));
write (BUF0,value);
writeline (file_out,BUF0);
wait for 20 ns;

write (file_out, string ' ("the third parameter is="));
write (BUF0,vectordata);
writeline (file_out,BUF0);
wait for 20 ns;

write (file_out, string ' ("the forth parameter is="));
write (BUF0,stringdata);
writeline (file_out,BUF0);
write (BUF0, string ' ("end of file"));
writeline (file_out,BUF0);
wait for 10 ns;

wait for 2000 ns;
file_close (file_out);
file_close (file_in);
end process ;

 

上图事例为循环从数据文件中读取出数据，赋值给信号量。

-- 为了说明行变量与各个变量之间的转换，行变量可与任何变量类型进行转换，
-- 并且原样输出到指定文件中。
package TEXTIO is
-- Type definitions for text I / O;
type LINE is access STRING ; -- A LINE is a pointer to a STRING value.
type TEXT is file of STRING ; -- A file of variable - length ASCII records.
type SIDE is ( RIGHT , LEFT ); -- For justifying output data within fields.
subtype WIDTH is NATURAL; -- For specifying widths of output fields.

 

上图事例为了说明行变量与各个变量之间的转换，行变量可与任何变量类型进行转换，并且原样输出到指定文件中。

另外再推荐个语句：ASSERT——断言语句。它和VC中的_TRACE语句一样，在调试程序中非常有用非常方便。

assert是一个调试仿真时的专用语法，他可以判断一个boolean变量，如果该变量为假就输出一个用户指定的信息到终端（控制台），用户可以附带输出信息的严格等级，从低到高依次是：note,warning,error,failure,可以让用户区分信息的类型。同样assert语句也是不能被综合的。

assert可以是同步语句（在process外），此时assert后面的任何变量变化都会引起assert语句判断一次。

assert还可以是顺序语句，此时assert存在于process中。