【学习笔记】【第五章】仿真验证与Testbench编写

一、Verilog HDL电路仿真和验证概述
仿真，也叫模拟，是通过使用EDA仿真工具，通过输入测试信号，比对输出信号（波形、文本或者VCD文件）和期望值，来确认是否得到与期望所一致的正确的设计结果，验证设计的正确性。验证是一个证明设计思路如何实现，保证设计在功能上正确的一个过程。验证在Verilog HDL设计的整个流程中分为4个阶段：
阶段1: 功能验证——>阶段2: 综合后验证——>阶段3: 时序验证——>阶段4: 板级验证

1、Testbench及其结构
在仿真的时候Testbench用来产生测试激励给待验证设计（Design Under Verification，DUV），或者称为待测设计（Design Under Test，DUT）。



2、测试程序的一般结构



由于Testbench是一个测试平台，信号集成在模块内部，没有输入输出。 在Testbench模块内，例化待测设计的顶层模块，并把测试行为的代码封装在内，直接对待测系统提供测试激励。 



从图中可以清晰地看出Testbench的主要功能：
（1）为DUT提供激励信号。
（2）正确实例化DUT。
（3）将仿真数据显示在终端或者存为文件，也可以显示在波形窗口中以供分析检查。
（4）复杂设计可以使用EDA工具，或者通过用户接口自动比较仿真结果与理想值，实现结果的自动检查。

在编写Testbench时需要注意的问题 ：
（1）testbench代码不需要可综合
Testbench代码只是硬件行为描述不是硬件设计 。
（2）行为级描述效率高
Verilog HDL语言具备5个描述层次，分别为开关级、门级、RTL级、算法级和系统级。 
（3）掌握结构化、程式化的描述方式 
结构化的描述有利于设计维护，可通过initial、always以及assign语句将不同的测试激励划分开来。一般不要将所有的测试都放在一个语句块中。

3、测试平台举例
测试平台需要产生时钟信号、复位信号和一系列的仿真向量，观察DUT的响应，确认仿真结果。



DUT的仿真平台

（1）组合逻辑电路仿真环境的搭建

实例：



全加器的真值表
Verilog HDL编写的全加器程序代码：
module adder1(a,b,ci,so,co);
input a,b,ci;
output so,co;
assign{co,so}=a+b+ci;
endmodule
Verilog HDL测试程序代码：

module adder1_tb;
wire so,co;
reg  a,b,ci;
adder1 U1(a,b,ci,so,co);	//模块例化
initial               	// 测试信号产生
begin
a=0;b=0;ci=0;
#20 a=0;b=0;ci=1;
#20 a=0;b=1;ci=0;
#20 a=0;b=1;ci=1;
#20 a=1;b=0;ci=0;
#20 a=1;b=0;ci=1;
#20 a=1;b=1;ci=0;
#20 a=1;b=1;ci=1;
#200  $finish;
end
endmodule

全加器的输入a、b和ci定义为reg型变量；把输出so和co定义为wire型变量用模块例化语句“adder1 U1(a,b,ci,so,co);”把全加器设计电路例化到测试仿真环境中；用initial块语句改变输入的变化并生成测试条件，输入的变化语句完全根据全加器的真值表编写。

仿真结果：



（2）时序逻辑电路仿真环境的搭建

在于时序逻辑电路仿真环境中，需要考虑时序、定时信息和全局复位、置位等信号要求，并定义这些信号。

实例：

Verilog HDL编写的十进制加法计数器源程序代码：

module cnt10(clk,rst,ena,q,cout);
input   clk,rst,ena;
output  [3:0]  q;
output   cout;
reg    [3:0] q;
always @ (posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst)q=4'b0000;
else if(ena)
begin
if(q<9)q=q+1;
else  q=0;
end
end
assign cout=q[3]&q[0];
endmodule

Verilog HDL测试程序代码：

module cnt10_tb;
reg    clk,rst,ena;
wire  [3:0] q;
wire  cout;
cnt10 U1(clk,rst,ena,q,cout);       //模块实例化
always       #50  clk=~clk;	//时钟信号产生
initial begin
clk=0;rst=0;ena=1;	//控制信号产生
#1200 rst=1;
#120 rst=0;
#2000 ena=0;
#200  ena=1;
#20000 $finish;
end
endmodule

实例化语句“cnt10 U1(clk,rst,ena,q,cout);”把十进制计数模块例化到仿真环境中；在always中用语句“#50  clk=~clk;”产生周期为100（标准时间单位）的时钟方波；用initial块生成复位信号rst和使能控制信号ena的测试条件。

仿真结果：