FPGA攻略之Testbench篇

作者：zhuwei0710

　　Testbench，就是测试平台的意思，具体概念就多不介绍了，相信略懂FPGA的人都知道，编写Testbench的主要目的是为了对使用硬件描述语言(HDL)设计的电路进行仿真验证，测试设计电路的功能、部分性能是否与预期的目标相符。初学者往往把写RTL代码当成重点，不愿写Testbench，包括小朱同学也是，仅仅使用Quartus II自带的仿真产生几个激励，然后观察一下最后输出的波形就完事了，甚至某些时候直接忽视仿真，拿单片机在线调试那一套来对付FPGA，直接把代码下载到板子里看效果，若与预期不符，再修改代码，再次下载到板子，如此反复，直到某一天实在玩不下去了。

　　同志们，FPGA真不带这么玩的!赶紧禁止自己使用Quartus II自带的仿真，甭画波形图了，你画成大师也没用(也成不了大师，Quartus II只能做极初级的仿真)!如果你立志从事FPGA行业，那么会写Testbench才你的敲门砖，而且别想着去公司写RTL代码了，向毛主席保证，公司一定是让你来写Testbench的。再赶紧把你的FPGA开发板有多远扔多远(别丢，还是要用的)，FPGA不是单片机，学习FPGA并不那么需要开发板。打个比方，学习FPGA是两万五千里长征，那么使用开发板连三千里都占不到，远远不到。对于FPGA，仿真验证才是核心，这么讲吧，验证占到整个设计工作的70%，前仿真、后仿真、功能仿真、时序仿真、行为级仿真、RTL级仿真、综合后仿真、门级仿真、布局布线后仿真……好吧，别晕，本篇只讲Testbench，Modelsim仿真咱们下篇再讨论。

　　一个最基本的Testbench包含三个部分，信号定义、模块接口和功能代码。借用一下特权同学总结的编写Testbench的三个基本步骤：

　　1、对被测试设计的顶层接口进行例化;
　　2、给被测试设计的输入接口添加激励;
　　3、判断被测试设计的输出相应是否满足设计要求。

　　逐步解决编写Testbench的这三点：

　　首先“对被测试设计的顶层接口进行例化”，这一步相对比较简单，例化就是，但端口多时也够喝一壶的，而且要分wire、reg，有时会弄错，别难过，其实可以偷个懒，通过Quartus II自动生成一个Testbench的模板，选择Processing -> Start -> Start Test Bench Template Writer，等待完成后打开刚才生成的Testbench，默认是保存在simulation\Modelsim文件夹下的.vt格式文件。这一步就不多讲了，偷懒就挺好。

　　其次“给被测试设计的输入接口添加激励”，一般时序设计必然涉及到最基本的两个信号——clk、rst_n(时钟、复位)，肯定有童鞋会讲可以没有rst_n，是可以没有，但何必呢，让代码更健壮一点不很好嘛，别钻牛角尖。下面攻克clk、rst_n的写法：

　　首先先讲一下timescale，因为想要进行仿真首先要规定时间单位，而且最好在Testbench里面统一规定时间单位，而不要在工程代码里定义，因为不同的模块如果时间单位不同可能会为仿真带来一些问题，而timescale本身对综合也就是实际电路没有影响。 `timescale 1ns/ 1ps表示仿真的单位时间为1ns，精度为1ps。

　　clk大体上有三种写法 :



　　上述三种代码的目的就是产生系统时钟，给clk一个初值后，不断重复执行：每10ns翻转一次clk，从而生成一个周期为20ns，频率50MHz的方波信号。第一、二种基本类似，第三种比较简单，少了一个initial，放在了always里初始化。

　　三种方法都无一例外地给clk赋了初值，因为信号的缺省值为Z，如果不赋初值，则反相后还是Z，时钟就一直处于高阻Z状态。小朱同学一般选中第一种，看个人喜欢。

　　根据复位方式的不同，rst_n一般有两种写法：



上述两种代码的目的基本都是延时复位，但一个异步复位，一个同步复位，用途不同，小朱同学一般使用异步复位。

　　最后“判断被测试设计的输出相应是否满足设计要求”。首先介绍最常用的两个系统任务函数$stop和$finish。$stop代表暂停仿真后返回软件操作主窗口，将控制权交给user;$finish代表终止仿真后关闭软件操作主窗口。其他任务函数如$monitor、$display 、$time、$fwrite等也比较重要，用到的时候再一一介绍。为直观介绍，使用一个例程来描述，下面是加法器的RTL代码及Testbench：




　　注意了clk、rst_n后，其他端口根据需要相应加测试信号即可，然后把RTL代码及Testbench添加到Modelsim仿真观察输出波形等，以验证RTL代码的正确与否，若与预期相符则验证结束，反之则修改代码至与预期相符。

　　好了，Testbench就写到这里，但没有结束，实践是检验真理的唯一标准，下一篇将结合Modelsim，以可视化的方式继续探讨Testbench，深入了解仿真的意义。