零基础学FPGA（十七）Testbench 很重要，前仿真全过程笔记（上篇）

作者：小墨同学

    刚刚做完了高频实验，说实话真是做的一头雾水。还是那种感觉，真是没什么用，所有人拿着早已经复制好的电路图，打开软件运行一下，再跟助教说一声做完了，随便打个分就可以走人，而且还要写一些无聊的实验报告。算了，不吐槽了，我们来说说今天的教学内容吧。

     上一篇文章我介绍了一下一片简易CPU的设计，今天的课程我讲仿真，也即前仿真。这次课程，小墨同学将和大家从建立工程开始，一步步梳理testbench的书写过程，帮助大家对仿真有一个深刻的概念。以后在做项目时，不要动不动就把程序下到板子里调试，看问题不对再去改程序，再下到板子里调试，如此往返，会浪费大量的时间，简单的项目还好，但是到了大型项目的话，是不可能有这么多时间让我们这样调的。因此，小墨同学在这里说，testbench很重要，做好了仿真，可以为我们节约大量的开发时间。

下面我们开始吧~

一、什么是testbench？

       从字面意思上来理解，testbench就是一个测试平台，我们之前已经设计好了我们需要的cpu模块，我们怎么知道我们设计的对于不对呢？我们可以给其施加一个测试激励，例如，给他送时钟和复位信号，由于时钟和复位信号是我们自定义的，因此我们可以产生任意频率的时钟信号和在任意时间给系统复位。

       当然我们还可以观察我们cpu的输出，将我们想要观察的输出信号引出来甚至是反馈到cpu内部，都可以，testbench没有像RTL代码设计那样严谨，我们可以在符合语法规则的前提下，随意编写我们的测试文件，有些在RTL代码中不可综合的语句，我们可以在testbench中实现。



二、testbench的结构

小墨同学认为testbench的结构可以分为这几个方面：
      1.要先对接口进行例化，即模块之间的链接关系
      2.对我们的设计添加激励
      3.观察设计输出是否符合要求

三、测试模块设计

      要测试我们的cpu需要ROM和RAM模块，这就需要我们先做好这两个模块



这里定义了一个 1024 x 8 的RAM



再定义一个8192  x 8 的ROM

ROM和RAM都还没有装入数据，等会我们会调用函数给他们装数据

接下来是地址译码器，来控制ROM和RAM的打开与关闭



各模块建立好之后我们就开始仿真了

四、仿真

      这次教学我们用的是modelsim SE 10.0 版本进行教学，以下是小墨同学习惯的仿真过程，因个人习惯不同，各位朋友可以按照你们 的方法来做

     我习惯直接先在quartus II中建一个.v文件将其保存在原来的工程文件目录中，并命名为cpu_top.v，直接在这里写测试代码



下面大家可以跟着小墨的步骤一起做，来完成cpu 的仿真过程了

1.  首先，我们需要将我们刚写好的那几个模块包含进去，即CPU模块，ROM模块，RAM模块，地址译码器模块，并写好时间测量度，见下图



2.定义顶层模块

由于我们的设计只有两个输入，即时钟模块和复位模块，凡是输入信号在testbench中通一定义成reg型变量，凡是输出或者双向输入输出信号通一定义成wire型变量，我们的设计只有输入没有输出，故只定义输入和连线即可



下图便是我们要组成的测试顶层模块图，我们定义的wire型变量，实际就是我们顶层模块中，模块模块与模块间的连线。而这些连线就是我们cpu的输出，这样我们就可以用我们的测试模块来测试我们的cpu是否能正确工作



3. 元件例化
就是将各个模块连接起来即可，这里就不做太多的说明了，因为以前都写过很多次了



4.测试激励的书写

小墨同学习惯上上来先写好时钟产生模块和复位模块.并将复位模块用task任务封装,这样我们在测试过程中就可以随时调用复位任务进行复位

时钟为50Mhz,复位时间为20ns



然后，我们再用task封装我们需要的模块，我们来想一下，上电后，CPU会从ROM中读两个时钟周期的数据是吧，但是我们的ROM现在还是空的，所以我们需要一个任务是往ROM中装入程序，给ROM中装数据我们可以用系统函数$readmemb，即打开一个文件，并将其中的数据送到我们之前定义的ROM中去



而test1.pro文件时需要我们自己定义的，我们可以在quartusII中再新建一个.v文件，在里面写上我们自己定义的程序，并将其保存为.pro文件即可，至于写什么程序，是我们随便定义的，大家可以参考我之前在上一篇文章中上传的程序中，有一个test1.pro文件，打开之后可以看到是一些16位的数字码，这些码就是我们ROM的地址，从第一行开始，每8位数据位一个地址，注意我们每个地址的高三位是用下划线隔开的，这表明前三位是指令码，这三位会被状态机进行译码，控制CPU执行相应的操作



装完ROM和RAM的数据之后，按说就可以了进行波形仿真了,因为cpu是自动读取数据的，下面我们先来做第一步仿真，我先把之后的代码注释掉，大家先看没有被注释掉的代码



里面都是我们之前封装好的函数，刚开始进行复位，然后进行第一步测试，之后停止

将其保存之后，小墨同学习惯将cpu_top.v文件用modelsim打开，并默认为用其打开，打开后见下图



然后，file——new——library——ok即建好一个库



点击左上角的编译按钮，将我们之前写好的所有.v文件全部都编译进去



看到transcript一栏显示编译成功后即可，若没有transcript一栏，可以选择菜单中的view——transcript即可，若显示有红色错误，那就请读者按照它的要求进行修改代码，这说明你的代码有问题，一般是连接问题



编译成功后，双击cpu_top就可以开始波形仿真了



进入仿真页面后，我们右击cpu模块将其加入至波形



由于只能上传20张照片，请大家看下一篇文章，小墨同学会给大家继续讲解

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