Verilog十大基本功2（testbench的设计 文件读取和写入操作 源代码）

Posted 2022-12-26 Times_poem

需求说明：Verilog设计基础

内容       ：testbench的设计 读取文件 写入文件

来自       ：时间的诗

十大基本功之 testbench

1. 激励的产生

对于 testbench 而言，端口应当和被测试的 module 一一对应。
端口分为 input,output 和 inout 类型产生激励信号的时候，
input  对应的端口应当申明为 reg,
output 对应的端口申明为 wire,
inout  端口比较特殊，下面专门讲解。

1）直接赋值

一般用 initial 块给信号赋初值，initial 块执行一次，always 或者 forever 表示由事件激发反复执行。
举例，一个 module

`timescale 1ns/1ps

module exam();
  reg   rst_n;
  reg   clk;
  reg   data;
  
  initial
  begin
    clk = 1'b0;
    rst = 1'b1;
    #10
    rst = 1'b0;
    #500
    rst = 1'b1;
  end
  
  always
  begin
    #10 clk = ~clk;
  end
  
endmodule

大家应该注意到有个#符号，该符号的意思是指延迟相应的时间单位。该时间单位由 timscale 决定.


一般在 testbench 的开头定义时间单位和仿真精度，比如`timescale 1ns/1ps
前面一个是代表时间单位，后面一个代表仿真时间精度。
以上面的例子而言，一个时钟周期是 20 个单位，也就是 20ns。


而仿真时间精度的概念就是，你能看到 1.001ns 时对应的信号值，
而假如 timescale 1ns/1ns，1.001ns 时候的值就无法看到。
对于一个设计而言，时间刻度应该统一，如果设计文件和 testbench 里面的时间刻度不一致，
仿真器默认以 testbench 为准。


一个较好的办法是写一个 global.v 文件，然后用 include 的办法，可以防止这个问题。

对于反复执行的操作，可写成 task,然后调用，比如

  task load_count;
  
  input [3:0] load_value;
    begin
      @(negedge clk_50);
      $display($time, " << Loading the counter with %h >>", load_value);
      load_l   = 1’b0;
      count_in = load_value;
      @(negedge clk_50);
      load_l   = 1’b1;
    end
  endtask //of load_count
  
  initial
  begin
    load_count(4’hA); // 调用 task
  end

其他像 forever,for,function 等等语句用法类似，虽然不一定都能综合，但是用在 testbench 里面很方
便，大家可以自行查阅参考文档

2） 文件输入

有时候，需要大量的数据输入，直接赋值的话比较繁琐，可以先生成数据，再将数据读入到寄存器中，
需要时取出即可。
用 $readmemb 系统任务从文本文件中读取二进制向量（可以包含输入激励和输出期望值）。
$readmemh 用于读取十六进制文件。例如：

reg   [7:0]  mem[256:1] // a 8-bit, 256-word 定义存储器 mem
initial $readmemh ( "E:/readhex/mem.dat", mem ) // 将.dat 文件读入寄存器 mem 中
initial $readmemh ( "E:/readhex/mem.dat", mem, 128, 1 ) // 参数为寄存器加载数据的地址始终

文件调入和打印中，我们 $fread $fwrite 用的更多一些, 大家可以自行查阅参考文档

2. 查看仿真结果

对于简单的 module 来说，要在 modelsim 的仿真窗口里面看波形，就用 add wave ..命令
比如， testbench 的顶层 module 名叫 tb,要看时钟信号，就用 add wave tb.clk
要查看所有信号的时候，就用 add wave /*  

当然，也可以在 workspace 下的 sim 窗口里面右键单击 instance 来添加波形
对于复杂的仿真，免不了要记录波形和数据到文件里面去。

1）波形文件记录(这部分暂时我没用到呢！)

常见的波形文件一般有两种， vcd 和 fsdb， debussy 是个很好的工具，支持 fsdb，所以最好是 modelsim+debussy 的组
合默认情况下， modelsim 不认识 fsdb，所以需要先装 debussy，再生成 fsdb 文件。


$dumpfile 和$dumpvar 是 verilog 语言中的两个系统任务， 可以调用这两个系统任务来创建和将指定信息导入 VCD 文件.
对于 fsdb 文件来说，对应的命令是 fsdbDumpfile,dumpfsdbvars


(什么是 VCD 文件? 答： VCD 文件是在对设计进行的仿真过程中，记录各种信号取值变化情况的信息记录文件。 EDA
工具通过读取 VCD 格式的文件，显示图形化的仿真波形，所以，可以把 VCD 文件简单地视为波形记录文件.)下面分别
描述它们的用法并举例说明之。

$dumpfile 系统任务：为所要创建的 VCD 文件指定文件名。
举例（ "//"符号后的内容为注释文字）：
initial
$dumpfile ("myfile.dump"); //指定 VCD 文件的名字为 myfile.dump，仿真信息将记录到此文件
$dumpvar 系统任务：指定需要记录到 VCD 文件中的信号，可以指定某一模块层次上的所有信号，也可以单独指定某一
个信号。
典型语法为$dumpvar(level, module_name); 参数 level 为一个整数， 用于指定层次数， 参数 module 则指定要记录的模块。
整句的意思就是，对于指定的模块，包括其下各个层次(层次数由 level 指定)的信号，都需要记录到 VCD 文件中去。


举例：
  initial
    $dumpvar (0, top); //指定层次数为 0，则 top 模块及其下面各层次的所有信号将被记录

  initial
    $dumpvar (1, top); //记录模块实例 top 以下一层的信号
  //层次数为 1，即记录 top 模块这一层次的信号
  //对于 top 模块中调用的更深层次的模块实例，则不记录其信号变化

  initial
    $dumpvar (2, top); //记录模块实例 top 以下两层的信号

  //即 top 模块及其下一层的信号将被记录
  假设模块 top 中包含有子模块 module1，而我们希望记录 top.module1 模块以下两层的信号，则语法举例如下：
  initial
    $dumpvar (2, top.module1); //模块实例 top.module1 及其下一层的信号将被记录
  假设模块 top 包含信号 signal1 和 signal2(注意是变量而不是子模块), 如我们希望只记录这两个信号，则语法举例如下：

  initial
    $dumpvar (0, top.signal1, top.signal2); //虽然指定了层次数，但层次数是不影响单独指定的信号的

  //即指定层次数和单独指定的信号无关
  我们甚至可以在同一个$dumpvar 的调用中，同时指定某些层次上的所有信号和某个单独的信号，假设模块 top 包含信
  号 signal1，同时包含有子模 块 module1，如果我们不但希望记录 signal1 这个独立的信号，而且还希望记录子模块 module1
  
  以下三层的所有信号，则语法举例如下：
  

initial
    $dumpvar (3, top.signal1, top.module1); //指定层次数和单独指定的信号无关
                                            //所以层次数 3 只作用于模块 top.module1, 而与信号
  top.signal1 无关

  
  上面这个例子和下面的语句是等效的：
  

initial
    begin
    $dumpvar (0, top.signal1);
    $dumpvar (3, top.module1);
  end
  
$dumpvar 的特别用法(不带任何参数)：
  initial
  $dumpvar; //无参数，表示设计中的所有信号都将被记录

最后，我们将$dumpfile 和$dumpvar 这两个系统任务的使用方法在下面的例子中综合说明，假设我们有一个设计实例，
名为 i_design，此设计中包含模块 module1，模块 module1 下面还有很多层次，我们希望对这个设计进行仿真，并将仿
真过程中模块 module1 及其以下所有层次中所有信号的变化情况，记录存储到名为 mydesign.dump 的 VCD 文件中去，
则例示如下：

  initial
  begin
    $dumpfile ("mydesign.dump"); //指定 VCD 文件名为 mydesign.dump
    $dumpvar (0, i_design.module1); //记录 i_design.module1 模块及其下面层次中所有模块的所有信号
  end

  
  对于生成 fsdb 文件而言，也是类似的

  initial
  begin
    $fsdbDumpfile("tb_xxx.fsdb");
    $fsdbDumpvars(0,tb_xxx);
  end

2）文件输出结果

  integer out_file; // out_file 是一个文件描述，需要定义为 integer 类型
  out_file = $fopen ( " cpu.data " ); // cpu.data 是需要打开的文件，也就是最终的输出文本
设计中的信号值可以通过$fmonitor, $fdisplay,$fwrite
其中$fmonitor 只要有变化就一直记录， $fdisplay 和$fwrite 需要触发条件才记录
例子：
  

initial begin
    $fmonitor(file_id, "%m: %t in1=%d o1=%h", $time, in1, o1);
    end
    always@(a or b)
    begin
    $fwrite(file_id,"At time%t a=%b b=%b",$realtime,a,b);
  end
  

3 参考“A Verilog HDL Test Bench Primier.pdf”

1) DUT(Design Under Test)部分

//-------------------------------------------------
// File: count16.v
// Purpose: Verilog Simulation Example
//-------------------------------------------------
`timescale 1 ns / 100 ps
module count16 (
       clk,
       rst_n,
       load_l,
       enable_l,
       cnt_in,
       oe_l,
       
       count,
       count_tri
       );
      
  input         clk;
  input         rst_n;
  
  input         load_l;
  input         enable_l;
  input  [3:0]  cnt_in;
  input         oe_l;
                
  output [3:0]  count;
  output [3:0]  count_tri;
  
  reg    [3:0]  count;
  
  // tri-state buffers
  assign count_tri = (!oe_l) ? count : 4'bZZZZ;
  
  
  // synchronous 4 bit counter
  
  always @ (posedge clk or negedge rst_n)
  if (!rst_n) begin
    count <=  4'd0;
  end
  else begin
  	if (!load_l) begin
      count <=  cnt_in;
    end
    else if (!enable_l) begin
      count <=  count + 1;
    end
  end
  
endmodule //of count16

2) Test Bench 

//-------------------------------------------------
// File: tb.v
// Purpose: Verilog Simulation Example
// Test Bench
//-----------------------------------------------------------
`timescale 1ns / 100ps
module tb ();
  
  //---------------------------------------------------------
  // inputs to the DUT are reg type
  reg         clk_50;
  reg         rst_n;
  reg         load_l; 
  reg         enable_l;
  
  reg  [3:0]  count_in;
  reg         oe_l;
  
  //--------------------------------------------------------
  // outputs from the DUT are wire type
  wire [3:0]  cnt_out;
  wire [3:0]  count_tri;
  
  
  //----------------------------------------------------------
  // create a 50Mhz clock
  always  #10 clk_50 = ~clk_50; // every ten nanoseconds invert
  
  
  //-----------------------------------------------------------
  // initial blocks are sequential and start at time 0
  initial
  begin
    $display($time, " << Starting the Simulation >>");
    clk_50 = 1'd0;
    
    // at time 0
    rst_n = 0;
    
    // reset is active
    enable_l = 1'd1;
    
    // disabled
    load_l = 1'd1;
    
    // disabled
    count_in = 4'h0;
    oe_l = 4'b0;
    
    // enabled
    #20 rst_n = 1'd1;
    
    // at time 20 release reset
    $display($time, " << Coming out of reset >>");
    
    @(negedge clk_50); // wait till the negedge of
                       // clk_50 then continue
    load_count(4'hA);
    
    // call the load_count task
    
    @(negedge clk_50);
    $display($time, " << Turning ON the count enable >>");
    
    enable_l = 1'b0;
    // turn ON enable
    // let the simulation run,
    // the counter should roll
    wait (cnt_out == 4'b0001); // wait until the count
    
    // equals 1 then continue
    $display($time, " << count = %d - Turning OFF the count enable >>",cnt_out);
    enable_l = 1'b1;
    #40;
    
    // let the simulation run for 40ns
    // the counter shouldn't count
    $display($time, " << Turning OFF the OE >>");
    oe_l = 1'b1;
    
    
    // disable OE, the outputs of
    // count_tri should go high Z.
    #20;
    $display($time, " << Simulation Complete >>");
    $stop;
    
    // stop the simulation
  end
  
  
  //--------------------------------------------------------------
  // This initial block runs concurrently with the other
  // blocks in the design and starts at time 0
  
  initial begin
  // $monitor will print whenever a signal changes
  // in the design
    $monitor(
      $time, 
      " clk_50=%b, rst_n=%b, enable_l=%b, load_l=%b, count_in=%h, cnt_out=%h, oe_l=%b, count_tri=%h",
      clk_50, rst_n, enable_l, load_l, count_in, cnt_out, oe_l, count_tri
    );
  end
  
  
  //--------------------------------------------------------------
  // The load_count task loads the counter with the value passed
  task load_count;
    input [3:0] load_value;
    
    begin
      @(negedge clk_50);
        $display($time, " << Loading the counter with %h >>", load_value);
        load_l = 1'b0;
        count_in = load_value;
    
      @(negedge clk_50);
        load_l = 1'b1;
    end
  endtask //of load_count
  
  
  
  //---------------------------------------------------------
  // instantiate the Device Under Test (DUT)
  // using named instantiation
  count16 count16_m0 (
    .clk       (clk_50),
    .rst_n     (rst_n),
    .load_l    (load_l),
    .cnt_in    (count_in),
    .enable_l  (enable_l),
    .oe_l      (oe_l),
    
    .count     (cnt_out),
    .count_tri (count_tri)
  );
  
  
  
  //---------------------------------------------------------
  // read and write data
  reg  [7:0] mem[10:1];//read data from file
  
  initial $readmemh ("F:/IC/prj/testbench/prj0/data/mem.dat", mem ); // 将.dat 文件读入寄存器 mem 中
  
  
  //设计中的信号值可以通过$fmonitor, $fdisplay,$fwrite
  //其中$fmonitor 只要有变化就一直记录， $fdisplay 和$fwrite 需要触发条件才记录
  
  integer file_out; // out_file 是一个文件描述，需要定义为 integer 类型
  initial file_out = $fopen("F:/IC/prj/testbench/prj0/data/wr_mem.dat", "w");
  
  // wr_mem.dat 是需要打开的文件，也就是最终的输出文本
  
  always @(posedge clk_50)
    if (/*tb.count16_m0.*/enable_l == 1'd0) begin
      $fwrite (file_out, "%h\\n", cnt_out[3:0]);
//      $fdisplay(file_out, "%h", cnt_out[3:0]);
    end
  
  
endmodule //of cnt16_tb

3) sim.do文件

  #Time: 2016-07-26
  #By  : times_poem
  
  quit -sim
  
  cd F:/IC/prj/testbench/prj0
  
  if [file exists work] 
     vdel -all
  
  
  vlib work 
  
  vlog ./*.v
  vlog ./src/*.v
   
  vsim -t ps -novopt work.tb
  
  log -r /*
  do wave.do 
  
  run -all