文章目錄

1. 前言

2. 測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

3. 仿真全過程
   模塊包含
   定義頂層模塊
   元件例化
   測(cè)試激勵(lì)的書寫
   波形仿真
   系統(tǒng)任務(wù)仿真

4. 總結(jié)

01. 前言

在FPGA 高手養(yǎng)成記-Test bench文件結(jié)構(gòu)一覽無余 只是簡單的例舉了常用的 testbench 寫法，在工程應(yīng)用中基本能夠滿足我們需求， 至于其他更為復(fù)雜的 testbench 寫法， 大家可參考其他書籍或資料。

testbench沒有像RTL代碼設(shè)計(jì)那樣嚴(yán)謹(jǐn)，我們可以在符合語法規(guī)則的前提下，隨意編寫我們的測(cè)試文件，有些在RTL代碼中不可綜合的語句，我們可以在testbench中實(shí)現(xiàn)。大體流程如下：

02. 測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

要測(cè)試我們的cpu需要ROM和RAM模塊，這就需要我們先做好這兩個(gè)模塊

這里定義了一個(gè) 1024 x 8 的RAM

再定義一個(gè)8192  x 8 的ROM

ROM和RAM都還沒有裝入數(shù)據(jù)，等會(huì)我們會(huì)調(diào)用函數(shù)給他們裝數(shù)據(jù)，接下來是地址譯碼器，來控制ROM和RAM的打開與關(guān)閉。

各模塊建立好之后我們就開始仿真了。

03.仿真

這次教學(xué)我們用的是modelsim SE 10.0 版本進(jìn)行教學(xué)，直接先在quartus II中建一個(gè).v文件將其保存在原來的工程文件目錄中，并命名為cpu_top.v，直接在這里寫測(cè)試代碼

下面大家可以來完成cpu 的仿真過程了

3.1，模塊包含

首先，我們需要將我們剛寫好的那幾個(gè)模塊包含進(jìn)去，即CPU模塊，ROM模塊，RAM模塊，地址譯碼器模塊，并寫好時(shí)間測(cè)量度，見下圖

3.2，定義頂層模塊

由于我們的設(shè)計(jì)只有兩個(gè)輸入，即時(shí)鐘模塊和復(fù)位模塊，凡是輸入信號(hào)在testbench中統(tǒng)一定義成reg型變量，凡是輸出或者雙向輸入輸出信號(hào)統(tǒng)一定義成wire型變量，我們的設(shè)計(jì)只有輸入沒有輸出，故只定義輸入和連線即可

下圖便是我們要組成的測(cè)試頂層模塊圖，我們定義的wire型變量，實(shí)際就是我們頂層模塊中，模塊模塊與模塊間的連線。而這些連線就是我們cpu的輸出，這樣我們就可以用我們的測(cè)試模塊來測(cè)試我們的cpu是否能正確工作

3.3. 元件例化

就是將各個(gè)模塊連接起來即可，這里就不做太多的說明了，因?yàn)橐郧岸紝戇^很多次了

3.4.測(cè)試激勵(lì)的書寫

先寫好時(shí)鐘產(chǎn)生模塊和復(fù)位模塊.并將復(fù)位模塊用task任務(wù)封裝,這樣我們?cè)跍y(cè)試過程中就可以隨時(shí)調(diào)用復(fù)位任務(wù)進(jìn)行復(fù)位

時(shí)鐘為50Mhz,復(fù)位時(shí)間為20ns

然后，我們?cè)儆胻ask封裝我們需要的模塊，我們來想一下，上電后，CPU會(huì)從ROM中讀兩個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)是吧，但是我們的ROM現(xiàn)在還是空的，所以我們需要一個(gè)任務(wù)是往ROM中裝入程序，給ROM中裝數(shù)據(jù)我們可以用系統(tǒng)函數(shù)$readmemb，即打開一個(gè)文件，并將其中的數(shù)據(jù)送到我們之前定義的ROM中去

而test1.pro文件是需要我們自己定義的，我們可以在quartusII中再新建一個(gè).v文件，在里面寫上我們自己定義的程序，并將其保存為.pro文件即可，至于寫什么程序，是我們隨便定義的.

裝完ROM和RAM的數(shù)據(jù)之后，按說就可以了進(jìn)行波形仿真了,因?yàn)閏pu是自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)的，下面我們先來做第一步仿真，我先把之后的代碼注釋掉，大家先看沒有被注釋掉的代碼

里面都是我們之前封裝好的函數(shù)，剛開始進(jìn)行復(fù)位，然后進(jìn)行第一步測(cè)試，之后停止，將其保存之后，并默認(rèn)為用其打開，打開后見下圖

然后，file——new——library——ok即建好一個(gè)庫

點(diǎn)擊左上角的編譯按鈕，將我們之前寫好的所有.v文件全部都編譯進(jìn)去

看到transcript一欄顯示編譯成功后即可，若沒有transcript一欄，可以選擇菜單中的view——transcript即可，若顯示有紅色錯(cuò)誤，那就請(qǐng)讀者按照它的要求進(jìn)行修改代碼，這說明你的代碼有問題，一般是連接問題

3.5，波形仿真

編譯成功后，雙擊cpu_top就可以開始波形仿真了

進(jìn)入仿真頁面后，我們右擊cpu模塊將其加入至波形

大家先看兩個(gè)圖，等會(huì)結(jié)合這兩個(gè)圖給大家細(xì)細(xì)講解仿真過程

我們先來看第一個(gè)過程

上電后，cpu先從ROM中讀回兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)，是從ROM的0地址開始的，再對(duì)比我們之前定義好的ROM，數(shù)據(jù)讀取正確，讀回的數(shù)據(jù)的前三位是111，即指令碼JMP，后13位003c為地址碼，JMP指令是將讀回的數(shù)據(jù)作為新的地址碼來讀取相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)。那么，下一步，cpu應(yīng)該是從ROM的003c地址處讀數(shù)據(jù)才對(duì)，再看一下波形

對(duì)比波形后可知，cpu正好是從003c處讀取數(shù)據(jù)，讀到的數(shù)據(jù)指令碼位111即JMP，地址碼位0006，再到ROM的0006地址處看

這次讀回的指令碼位101，即LDA，也就是說將后13位地址碼對(duì)應(yīng)的RAM中的數(shù)據(jù)讀回，送到累加器中，想一下，這時(shí)的RAM應(yīng)該是打開的，而且雙向輸入輸出口的數(shù)據(jù)總線上應(yīng)該是來自RAM的8位數(shù)據(jù)，由于ROM0006地址處的地址碼為1800是13位的，而RAM的地址是9位的，因此實(shí)際上我們從RAM中讀回的數(shù)據(jù)是從RAM的0地址讀回的，即我們之前給RAM寫好的0000_0000，再看一下波形

正如我們所想的一樣，數(shù)據(jù)總線上是0000_0000，RAM是打開的，地址為1800

就這樣，讀者可以自己再試一下，看看我們的cpu是不是按照我們之前給他的程序運(yùn)行的，在這里我就不再給大家一一介紹了

雖然波形仿真很直觀，但是看久了就會(huì)令人眼花繚亂，尤其是數(shù)據(jù)很多的時(shí)候，我們只能看其中一部分，不能講所有數(shù)據(jù)看完整，這時(shí)候我們單單是用波形來仿真就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，下面介紹用系統(tǒng)任務(wù)仿真的過程

3.6，系統(tǒng)任務(wù)仿真

再回到我們的代碼，注釋掉了一些代碼吧，我們把那些代碼給加上，以其中一個(gè)過程為例

假設(shè)讀回的指令碼位101，即LDA，如果我在fentch_8的高電平期間且在cpu輸出地址為奇數(shù)的時(shí)候記錄一下此時(shí)的時(shí)間、指令、地址、目的地址、數(shù)據(jù)的話就可以不用看波形，讓電腦來幫助我們來分析了，因此作如下處理

這里我延時(shí)60ns，是因?yàn)榈谝淮斡涗浀臅r(shí)候數(shù)據(jù)總線上還沒有數(shù)據(jù)，只有延時(shí)一會(huì)才會(huì)有數(shù)據(jù)，即上面那張波形圖右邊那根黃色的線處記錄一下數(shù)據(jù)，并將其顯示。我們也可以加上一下標(biāo)注，來幫助我們觀察

這樣我們?cè)賮矸抡娴臅r(shí)候就不用看波形了，直接打開transcript一欄觀察記錄即可

這樣便可以為我們省下大量的仿真時(shí)間

04. 總結(jié)

這里提出以下幾點(diǎn)建議供大家參考：

• 封裝有用且常用的 testbench， testbench 中可以使用 task 或 function 對(duì)代碼進(jìn)行封裝， 下次利用時(shí)靈活調(diào)用即可；

• 如果待測(cè)試文件中存在雙向信號(hào)(inout)需要注意， 需要一個(gè) reg 變量來表示輸入， 一個(gè) wire 變量表示輸出；

• 單個(gè) initial 語句不要太復(fù)雜，可分開寫成多個(gè) initial 語句， 便于閱讀和修改；

• Testbench 說到底是依賴 PC 軟件平臺(tái)， 必須與自身設(shè)計(jì)的硬件功能相搭配。