编写高效的Testbench

引言：Testbench是验证HDL设计的主要手段，本文提供了布局和构建高效Testbench的指南以及示例。另外，本文还提供了一种示例，可以为任何设计开发自检Testbench。

1. 概述

由于FPGA设计规模和复杂性的增加，数字设计验证已成为一项越来越困难和费力的任务。为了应对这一挑战，验证工程师依靠多种验证工具和方法。对于大型、数百万门的设计，工程师通常使用一套正式的验证工具。然而，对于较小的设计，设计工程师通常使用带有Testbench的HDL仿真器效果最好，如Modelsim、Vivado Simulator等。

Testbench已成为验证HLL（高级语言）设计的标准方法。通常，Testbench执行以下任务：

•实例化被测设计（DUT）•通过将测试向量应用于模型来激励DUT•将结果输出到终端或波形窗口进行目视检查

•可选择将实际结果与预期结果进行比较

通常，Testbench是用行业标准VHDL或Verilog硬件描述语言编写的，Testbench调用功能设计，然后对其进行仿真。复杂的Testbench还执行其他功能，例如，将实际结果与预期结果进行比较的逻辑。图1显示了遵循上述步骤的标准HDL验证流程。

图1：使用Testbench的HDL验证流程由于Testbench是用VHDL或Verilog编写的，因此Testbench验证流程可以跨平台和供应商工具移植。此外，由于VHDL和Verilog是标准的非专有语言，因此用VHDL或Verilog编写的验证套件可以在未来的设计中毫无困难地重用。

2. Testbench构建

由于Testbench仅用于仿真，因此它们不受适用于综合中使用的RTL语言子集的语义约束的限制。相反，可以使用所有行为构造。因此，Testbench可以更通用地编写，使其更容易维护。所有Testbench均包含表1所示的基本部分。

表1：试验台通用截面2.1 生成时钟信号

激励时钟可以很容易地在VHDL和Verilog源代码中实现。以下是Testbench中经常使用的时钟生成VHDL和Verilog示例：

VHDL:

Verilog：

2.2 提供激励

为了获得Testbench验证结果，须向DUT提供激励。在Testbench上使用并发激励块来提供，通常采用两种方法：绝对时间激励和相对时间激励。在第一种方法中，相对于仿真时间零点指定模拟值。相比之下，相对时间激励提供初始值，然后在重新触发激励之前等待事件。根据设计师的需求，这两种方法可以在Testbench上结合使用。

表2和表3分别提供了VHDL和Verilog源代码中的绝对时间和相对时间激励的示例。

表2：绝对时间激励示例表3：相对时间激励示例

VHDL过程块和Verilog初始块与文件中的其他过程和初始块同时执行。然而，在每个（进程或初始）块中，事件是按照写入的顺序执行。这意味着激励序列在模拟时间零点开始于每个并发块。推荐使用多个块将复杂的激励序列分解为更可读和可维护的代码块。

2.3 结果显示

Verilog中的$display和$monitor关键字用于显示结果。虽然VHDL没有等效的显示特定命令，但它提供了std_textio包，该包允许将文件I/O重定向到显示终端窗口（有关此技术的示例，请参阅下面的自检Testbench）。

以下是Verilog示例，其中值显示在终端屏幕上：

$display关键字将带引号的括号文本（“…”）输出到终端窗口。$monitor关键字的工作方式不同，因为它的输出是事件驱动的。在该示例中，$realtime变量（由用户分配给当前模拟时间）用于触发信号列表中值的显示。Verilog提供了额外的格式说明符，例如，%h用于十六进制，%d用于十进制，%o用于八进制格式。格式化的显示结果如图2所示。

图2：仿真结果输出到终端

2.4 其他语句结构

（1）force/release

force/release语句可用于覆盖对寄存器或网络进行的程序分配。这些构造通常用于强制特定的设计行为。一旦强制值被释放，信号将保持其状态，直到新值通过过程赋值传递。以下是强制和释放语句使用的示例：

（2）assign/deassign

赋值和取消赋值语句类似于强制和释放语句，但赋值和取消指派仅适用于设计中的寄存器。它们通常用于设置输入值。与强制语句一样，assign语句会覆盖过程语句传递的值。以下是赋值和取消赋值语句用法的示例。

（3）timescales

时间刻度指令用于指定Testbench的单位时间步长。它也会影响仿真器的精度。此指令的语法为：

`timescale reference_time/precision

reference_time是测量的单位时间。精度决定延迟四舍五入的精度，并设置仿真的单位时间步长。以下是“时间刻度用法”的示例：

如果仿真使用定时延迟值，则模拟必须以大于最小延迟的精度运行（以便包含延迟）。例如，如果在仿真库中使用9ps延迟，则仿真的精度必须为1ps才能适应9ps延迟。

（4）读取内存初始化文件

Verilog提供$readmemb和$readmemh命令来读取ASCII文件以初始化内存内容。此命令可用于在模拟中初始化Xilinx BlockRAM或SelectRAM组件。语法如下：

$readmemb（“<design.mif>”，design_instance）；

3. 简单Testbench

简单的Testbench实例化用户设计，然后为其提供激励。Testbench输出以图形方式显示在仿真器的波形窗口上，或作为文本发送到用户终端或文本文件。

下面是一个代表移位寄存器的简单Verilog设计：

以下简单的Testbench示例实例化了移位寄存器设计。

上面的Testbench实例化设计，设置时钟，然后提供激励。所有过程块都从模拟时间零点开始，并且是并发的。符号（#）指定应用下一个激励之前的延迟。$stop命令指示仿真器停止Testbench仿真（所有Testbench都应包含stop命令）。最后，$monitor语句将ASCII格式的结果返回到屏幕或本编辑器。

下面是一个VHDL Testbench，它实例化并为上述Verilog移位寄存器设计提供激励。

4. 自动验证

建议自动化Testbench结果验证，特别是对于较大的设计。自动化减少了检查设计正确性所需的时间，并最大限度地减少了人为错误。通常使用几种方法来自动化Testbench验证：

（1）数据库比较：首先，创建一个包含预期输出的数据库文件（“黄金向量”文件）。然后，捕获仿真输出并将其与黄金向量文件中的参考向量进行比较。这种方法的缺点是由于没有提供从输出到输入文件的指针，难以将不正确的输出追踪到错误的来源。

（2）波形比较：波形比较可以自动或手动执行。自动方法采用Testbench比较器将黄金波形与Testbench输出波形进行比较。Xilinx HDL Bencher工具可用于执行自动波形比较。

（3）Self-Checking Testbench。自检Testbench在运行时，而不是在仿真结束时，根据实际结果检查预期结果。由于可以在Testbench上构建有用的错误跟踪信息来显示设计失败的地方，因此调试时间大大缩短。

5. Self-Checking Testbench

自检Testbench是通过在Testbench文件中放置一系列预期向量来实现的。这些向量在定义的运行时间间隔与实际仿真结果进行比较。如果实际结果与预期结果匹配，则仿真成功。如果结果与预期不符，Testbench会报告差异。

对于同步设计来说，实现自检Testbench更简单，因为可以在时钟边缘或每个“n”个时钟周期后比较预期和实际结果。比较方法也取决于设计的性质。例如，内存I/O自检Testbench应在每次向内存位置写入或从内存位置读取新数据时检查结果。同样，如果一个设计使用了大量的组合块，在指定预期结果时必须考虑组合延迟。

在自检自检Testbench上，以规则的运行时间间隔将预期输出与实际输出进行比较，以提供自动错误检查。这种技术在中小型设计中效果很好。然而，由于可能的输出组合随着设计复杂性呈指数级增长，为大型设计编写自检Testbench变得更加困难和耗时。

以下是用Verilog和VHDL编写的简单自检Testbench的示例：Verilog示例：

这种简单的自检Testbench设计可以移植到任何测试用例中。如果不需要在每个时钟沿进行检查，则可以根据需要修改for循环。如果仿真成功，终端屏幕上会显示以下信息：

VHDL示例：

如果检测到错误，则会在仿真器提示下显示：

6. 编写Testbench指南

本节提供了编写Testbench的指南，规划Testbench布局可以提高仿真验证结果。

（1）在编写Testbench之前，了解仿真器。

尽管常用的仿真工具符合HDL行业标准，但这些标准并没有解决几个重要的仿真特定问题。不同的模拟器具有不同的特性、能力和性能特征，并产生不同的仿真结果。

（2）基于事件的仿真与基于周期的仿真

仿真器器使用基于事件或基于周期的仿真方法。基于事件的仿真器在输入、信号或门改变值时安排仿真器事件。在基于事件的仿真器中，延迟值可以与门和网络相关联，以实现最佳的时序模拟。基于循环的仿真器以同步设计为目标。它们优化组合逻辑，并在时钟周期内分析结果。此功能使基于循环的仿真器比基于事件的仿真器更快、更节省内存。然而，由于基于循环的仿真器不允许详细的时序特异性，因此它们的准确性不高。

（3）避免使用无限循环

当一个事件被添加到基于事件的仿真器中时，CPU和内存的使用率会增加，仿真处理速度也会减慢。除非对Testbench至关重要，否则不应使用无限循环来提供设计激励。通常，时钟是在无限循环内指定的（例如，Verilog中的“永远”循环），而不是其他信号事件。

（4）将激励分解为逻辑块

在Testbench中，所有初始（Verilog）和过程（VHDL）块同时运行。如果将无关的激励分为单独的块，则Testbench激励序列更容易实施和审查。由于每个并发块都相对于模拟时间零点运行，因此使用单独的块更容易传递激励。使用单独的激励块可以使Testbench更容易创建、维护和升级。

（5）避免显示不重要的数据

大型设计的Testbench可能包含超过100000个事件和大量信号。显示大量仿真数据会大大减慢仿真速度。最好每“n”个时钟周期只对相关信号进行采样，以确保足够的仿真速度。