Testbench编写指南（1）基本组成与示例

对于小型设计来说，最好的测试方式便是使用TestBench和HDL仿真器来验证其正确性。一般TestBench需要包含这些部分：实例化待测试设计、使用测试向量激励设计、将结果输出到终端或波形窗口便于可视化观察、比较实际结果和预期结果。下面是一个标准的HDL验证流程：

TestBench可以用VHDL或Verilog、SystemVerilog编写，本文以Verilog HDL为例。FPGA设计必须采用Verilog中可综合的部分子集，但TestBench没有限制，任何行为级语法都可以使用。本文将先介绍TestBench中基本的组成部分。

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生成时钟信号

使用系统时钟的设计在TestBench中必须要生成时钟信号，该功能实现起来也非常简单，示例代码如下：

parameter ClockPeriod =  10;

//方法1
initial begin
    forever clock = #(ClockPeriod/2) ~ Clock;
end

//方法2
initial begin
    always #(ClockPeriod/2) Clock = ~Clock;
end     

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生成测试激励

只有给设计激励数据，才能得到验证结果。提供激励的方法有两种，绝对时间激励以仿真时刻0为基准，给信号赋值，示例如下：

initial begin
    reset = 1;
    load = 0;
    count = 0;
    #100 reset = 0;
    #20 load = 1;
    #20 count = 1;
end

‘#’用于指定等待的延迟时间，之后才会执行下一个激励。相对时间激励给信号一个初始值，直到某一事件发生后才触发激励赋值，示例如下：

always @ (posedge clk)
    tb_cnt <= tb_cnt + 1;

initial begin
    if (tb_cnt <= 5) begin
        reset = 1;
        load = 0;
        count = 0;
    end
    else begin
        reset = 0;
        load = 1;
        count = 1;
    end
end

根据需要，可以同时使用两种方法。每一个initial块、always块之间都是并行工作的关系，但在initial块内部是顺序地处理事件。因此复杂的激励序列应该分散到多个initial或always块中，以提高代码可读性和可维护性。

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显示结果

Verilog中可以使用$display和$monitor系统任务来显示仿真结果，示例代码如下：

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

$display会将双引号之间的文本输出到终端窗口。$monitor的输出为事件驱动型，如上例中$realtime变量用于触发信号列表的显示，%t表示$realtime以时间格式输出，%b表示其余值以二进制格式输出。其余还有%d、%h、%o等与惯例相同。

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简单示例

下面是一个简单的移位寄存器Verilog设计示例：

module shift_reg (clock, reset, load, sel, data, shiftreg);
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
        case (sel)
            2'b00 : shiftreg = shiftreg;
            2'b01 : shiftreg = shiftreg << 1;
            2'b10 : shiftreg = shiftreg >> 1;
            default : shiftreg = shiftreg;
        endcase
end
endmodule

下面给出上述设计的TestBench示例：

module testbench; // 申明TestBench名称
reg clock;
reg load;
reg reset; // 申明信号
wire [4:0] shiftreg;
reg [4:0] data;
reg [1:0] sel;

// 申明移位寄存器设计单元
shift_reg dut(.clock (clock),
    .load (load),
    .reset (reset),
    .shiftreg (shiftreg),
    .data (data),
    .sel (sel));

initial begin   // 建立时钟
    clock = 0;
    forever #50 clock = ~clock;
end

initial begin   // 提供激励
    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   // 打印结果到终端
    $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

TestBench中包括实例化设计、建立时钟、提供激励、终端显示几个部分。每个initial块之间都从0时刻开始并行执行。$stop用来指示仿真器停止TestBench仿真（建议每个TestBench中都有至少一个$stop）。$monitor会在终端以ASCII格式打印监测结果。

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设计规则

下面给出一些编写TestBench的基本设计规则：

• 了解仿真器特性：不同的仿真器由不同的特性、能力和性能差异，可能会产生不同的仿真结果。仿真器可分为两类：（1）.基于事件，当输入、信号或门的值改变时调度仿真器事件，有最佳的时序仿真表现；（2）.基于周期，在每个时钟周期优化组合逻辑和分析结果，比前者更快且内存利用效率高，但时序仿真结果不准确。即使是基于事件的仿真器，在调度事件时采用不同的算法也会影响到仿真性能（比如同一仿真时刻发生了多个事件，仿真器需要按一定的序列依次调度每个事件）。了解仿真器特性有一定必要，但目前最常用的ModelSim、Vivado Simulator等仿真器也已经非常强大。
• 避免使用无限循环：仿真器调度事件时，会增加CPU和内存的使用率，仿真进程也会变慢。因此除非迫不得已（比如利用forever生成时钟信号），尽量不要使用无限循环。
• 将激励分散到多个逻辑块中：Verilog中的每个initial块都是并行的，相对于仿真时刻0开始运行。将不相关的激励分散到独立的块中，在编写、维护和更新testbench代码时会更有效率。
• 避免显示不重要的数据：对于大型设计来说，会有超过10万个事件和大量的信号，显示大量数据会极度拖慢仿真速度。因此最好的做法是每隔N个时钟周期显示重要信号的数据，以保证足够的仿真速度。