FPGA攻略之Testbench篇

 Testbench，就是測試平臺的意思，具體概念就多不介紹了，相信略懂FPGA的人都知道，編寫Testbench的主要目的是為了對使用硬件描述語言(HDL)設計的電路進行仿真驗證，測試設計電路的功能、部分性能是否與預期的目標相符。初學者往往把寫RTL代碼當成重點，不愿寫Testbench，包括小朱同學也是，僅僅使用Quartus II自帶的仿真產(chǎn)生幾個激勵，然后觀察一下最后輸出的波形就完事了，甚至某些時候直接忽視仿真，拿單片機在線調(diào)試那一套來對付FPGA，直接把代碼下載到板子里看效果，若與預期不符，再修改代碼，再次下載到板子，如此反復，直到某一天實在玩不下去了。

同志們，F(xiàn)PGA真不帶這么玩的!趕緊禁止自己使用Quartus II自帶的仿真，甭畫波形圖了，你畫成大師也沒用(也成不了大師，Quartus II只能做極初級的仿真)!如果你立志從事FPGA行業(yè)，那么會寫Testbench才你的敲門磚，而且別想著去公司寫RTL代碼了，向毛主席保證，公司一定是讓你來寫Testbench的。再趕緊把你的FPGA開發(fā)板有多遠扔多遠(別丟，還是要用的)，F(xiàn)PGA不是單片機，學習FPGA并不那么需要開發(fā)板。打個比方，學習FPGA是兩萬五千里長征，那么使用開發(fā)板連三千里都占不到，遠遠不到。對于FPGA，仿真驗證才是核心，這么講吧，驗證占到整個設計工作的70%，前仿真、后仿真、功能仿真、時序仿真、行為級仿真、RTL級仿真、綜合后仿真、門級仿真、布局布線后仿真……好吧，別暈，本篇只講Testbench，Modelsim仿真咱們下篇再討論。

一個最基本的Testbench包含三個部分，信號定義、模塊接口和功能代碼。借用一下特權同學總結的編寫Testbench的三個基本步驟：

1、對被測試設計的頂層接口進行例化;

2、給被測試設計的輸入接口添加激勵;

3、判斷被測試設計的輸出相應是否滿足設計要求。

逐步解決編寫Testbench的這三點：

首先“對被測試設計的頂層接口進行例化”，這一步相對比較簡單，例化就是，但端口多時也夠喝一壺的，而且要分wire、reg，有時會弄錯，別難過，其實可以偷個懶，通過Quartus II自動生成一個Testbench的模板，選擇Processing -> Start -> Start Test Bench Template Writer，等待完成后打開剛才生成的Testbench，默認是保存在simulation\Modelsim文件夾下的.vt格式文件。這一步就不多講了，偷懶就挺好。

其次“給被測試設計的輸入接口添加激勵”，一般時序設計必然涉及到最基本的兩個信號——clk、rst_n(時鐘、復位)，肯定有童鞋會講可以沒有rst_n，是可以沒有，但何必呢，讓代碼更健壯一點不很好嘛，別鉆牛角尖。下面攻克clk、rst_n的寫法：

首先先講一下timescale，因為想要進行仿真首先要規(guī)定時間單位，而且最好在Testbench里面統(tǒng)一規(guī)定時間單位，而不要在工程代碼里定義，因為不同的模塊如果時間單位不同可能會為仿真帶來一些問題，而timescale本身對綜合也就是實際電路沒有影響。 `timescale 1ns/ 1ps表示仿真的單位時間為1ns，精度為1ps。

clk大體上有三種寫法 :

上述三種代碼的目的就是產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，給clk一個初值后，不斷重復執(zhí)行：每10ns翻轉一次clk，從而生成一個周期為20ns，頻率50MHz的方波信號。第一、二種基本類似，第三種比較簡單，少了一個initial，放在了always里初始化。

三種方法都無一例外地給clk賦了初值，因為信號的缺省值為Z，如果不賦初值，則反相后還是Z，時鐘就一直處于高阻Z狀態(tài)。小朱同學一般選中第一種，看個人喜歡。

根據(jù)復位方式的不同，rst_n一般有兩種寫法：

上述兩種代碼的目的基本都是延時復位，但一個異步復位，一個同步復位，用途不同，小朱同學一般使用異步復位。

最后“判斷被測試設計的輸出相應是否滿足設計要求”。首先介紹最常用的兩個系統(tǒng)任務函數(shù)$stop和$finish。$stop代表暫停仿真后返回軟件操作主窗口，將控制權交給user;$finish代表終止仿真后關閉軟件操作主窗口。其他任務函數(shù)如$monitor、$display 、$time、$fwrite等也比較重要，用到的時候再一一介紹。為直觀介紹，使用一個例程來描述，下面是加法器的RTL代碼及Testbench：

注意了clk、rst_n后，其他端口根據(jù)需要相應加測試信號即可，然后把RTL代碼及Testbench添加到Modelsim仿真觀察輸出波形等，以驗證RTL代碼的正確與否，若與預期相符則驗證結束，反之則修改代碼至與預期相符。

好了，Testbench就寫到這里，但沒有結束，實踐是檢驗真理的唯一標準，下一篇將結合Modelsim，以可視化的方式繼續(xù)探討Testbench，深入了解仿真的意義。