VHDL與Verilog硬件描述語言如何用TestBench來進(jìn)行仿真

VHDL與Verilog硬件描述語言在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中使用的非常普遍，無論是哪種語言，仿真都是必不可少的。而且隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜度的提高，仿真工具的重要性就越來越凸顯出來。在一些小的設(shè)計(jì)中，用TestBench來進(jìn)行仿真是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。

VHDL與Verilog語言的語法規(guī)則不同，它們的TestBench的具體寫法也不同，但是應(yīng)包含的基本結(jié)構(gòu)大體相似，在VHDL的仿真文件中應(yīng)包含以下幾點(diǎn)：實(shí)體和結(jié)構(gòu)體聲明、信號(hào)聲明、頂層設(shè)計(jì)實(shí)例化、提供激勵(lì)；Verilog的仿真文件應(yīng)包括：模塊聲明、信號(hào)聲明、頂層設(shè)計(jì)實(shí)例化、提供激勵(lì)。大致思想都是相似的。

簡單的說，TestBench就是一種驗(yàn)證手段，從軟件層面對(duì)設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行仿真。具體來講，一般是在你的仿真文件里，產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，作用于被仿真的設(shè)計(jì)文件DUT（Design Under Test），產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，然后根據(jù)輸出信號(hào)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路是否存在問題或者存在哪些問題。

下面以FPGA板中驅(qū)動(dòng)流水燈的一段程序?yàn)槔?，簡單介紹一下兩種語言的TestBench的編寫。

1 module led_run（clk，rst，led）;

2 input clk，rst;

3 output reg ［7:0］ led;

4 reg ［25:0］ clk_cnt;

5 reg clk_tmp;

6 reg ［3:0］ temp;

7

8 always@（posedge clk or negedge rst）

9 begin

10 if（！rst）

11 begin

12 clk_cnt《=26‘d0;

13 clk_tmp《=1’b1;

14 end

15 else

16 begin

17 if（clk_cnt==26‘b11111111111111111111111111）

18 begin

19 clk_cnt《=26’d0;

20 clk_tmp《=~clk_tmp;

21 end

22 else

23 clk_cnt《=clk_cnt+1‘b1;

24 end

25 end

26

27 always@（posedge clk_tmp or negedge rst）

28 begin

29 if（！rst）

30 temp《=4’d15;

31 else

32 temp《=temp+1‘b1;

33 end

34

35 always@（temp）

36 begin

37 case（temp）

38 4’d0 ：led《=8‘b11111110;

39 4’d1 ：led《=8‘b11111100;

40 4’d2 ：led《=8‘b11111000;

41 4’d3 ：led《=8‘b11110000;

42 4’d4 ：led《=8‘b11100000;

43 4’d5 ：led《=8‘b11000000;

44 4’d6 ：led《=8‘b10000000;

45 4’d7 ：led《=8‘b00000000;

46 4’d8 ：led《=8‘b00000001;

47 4’d9 ：led《=8‘b00000011;

48 4’d10:led《=8‘b00000111;

49 4’d11:led《=8‘b00001111;

50 4’d12:led《=8‘b00011111;

51 4’d13:led《=8‘b00111111;

52 4’d14:led《=8‘b01111111;

53 4’d15:led《=8‘b11111111;

54 default：;

55 endcase

56 end

57

58 endmodule

上面是一段流水燈的代碼，控制8位流水燈依次點(diǎn)亮，再依次熄滅。第一個(gè)always語句完成分頻功能，第二個(gè)always語句用于計(jì)數(shù)，共16個(gè)值，第三個(gè)always語句根據(jù)計(jì)數(shù)的值選擇LED燈的狀態(tài)。其中clk、rst分別為時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)，led為驅(qū)動(dòng)流水燈的輸出信號(hào)。接下來針對(duì)這一設(shè)計(jì)編寫其TestBench文件。

1 /************TestBench*************/

2 module tb_led_run;

3 reg clk，rst;

4 wire led;

5

6 initial

7 begin

8 rst=1;

9 #30 rst=0;

10 #40 rst=1;

11 end

12

13 initial

14 begin

15 clk=1;

16 forever #20 clk=~clk;

17 end

18

19 led_run led1（.clk（clk），.rst（rst），.led（led））;

20 endmodule

由于只需要時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)即可，故在其仿真文件并不復(fù)雜，建立測試模塊，進(jìn)行信號(hào)聲明，在兩個(gè)initial中分別提供clk和rst信號(hào)，最后進(jìn)行例化。當(dāng)然注意一點(diǎn)，在仿真時(shí)要把分頻模塊去掉，或者將分頻系數(shù)改小，否則仿真時(shí)不容易觀察波形。下面是在Modelsim中仿真得到的波形（分頻模塊改為2分頻）。

總結(jié)起來，Verilog的TestBench有著相對(duì)固定的寫法：

module test_bench;

端口聲明語句

initial

begin

產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)

end

initial

begin

提供激勵(lì)源

end

例化語句

endmodule

最主要的是在initial語句中進(jìn)行激勵(lì)的生成，這要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)來分析。

下面對(duì)比介紹VHDL語言TestBench的寫法。同樣的功能，驅(qū)動(dòng)流水燈，VHDL的程序如下：

1 LIBRARY IEEE;

2 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

3 USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

5 ENTITY led_run IS

6 PORT（clk:in std_logic;

7 rst:in std_logic;

8 led:out std_logic_vector（7 downto 0）：=“11111111” ）;

9 END led_run;

10

11 ARCHITECTURE arc_led_run OF led_run IS

12 signal temp:std_logic_vector（3 downto 0）;

13 signal clk_cnt:std_logic_vector（25 downto 0）;

14 signal clk_tmp:std_logic：=’1‘;

15 BEGIN

16 divider:PROCESS（clk，rst）

17 BEGIN

18 if（rst=’0‘） then

19 clk_cnt《=“00000000000000000000000000”;

20 elsif（clk’event and clk=‘1’） then

21 clk_cnt《=clk_cnt+1;

22 if（clk_cnt=“11111111111111111111111111”） then

23 clk_cnt《=“00000000000000000000000000”;

24 clk_tmp《=NOT clk_tmp;

25 end if;

26 end if;

27 END PROCESS;

28

29 PROCESS（clk_tmp，rst）

30 BEGIN

31 if（rst=‘0’） then

32 temp《=“1111”; --all the led off

33 elsif（clk_tmp‘event and clk_tmp=’1‘） then

34 temp《=temp+1;

35 end if;

36 END PROCESS;

37

38 PROCESS（temp）

39 BEGIN

40 case temp is

41 when“0000”=》led《=“11111110”;

42 when“0001”=》led《=“11111100”;

43 when“0010”=》led《=“11111000”;

44 when“0011”=》led《=“11110000”;

45 when“0100”=》led《=“11100000”;

46 when“0101”=》led《=“11000000”;

47 when“0110”=》led《=“10000000”;

48 when“0111”=》led《=“00000000”;

49 when“1000”=》led《=“00000001”;

50 when“1001”=》led《=“00000011”;

51 when“1010”=》led《=“00000111”;

52 when“1011”=》led《=“00001111”;

53 when“1100”=》led《=“00011111”;

54 when“1101”=》led《=“00111111”;

55 when“1110”=》led《=“01111111”;

56 when“1111”=》led《=“11111111”;

57 when others=》NULL;

58 end case;

59 END PROCESS;

60

61 END arc_led_run;

根據(jù)語法要求，首先聲明庫，接著定義實(shí)體和結(jié)構(gòu)體。在結(jié)構(gòu)體中用三個(gè)進(jìn)程（PROCESS）分別實(shí)現(xiàn)分頻、計(jì)數(shù)、流水燈狀態(tài)分配的功能，功能相當(dāng)于上面Verilog程序中的三個(gè)always語句。接下來寫TestBench文件：

1 ---------------TestBench-----------------

2 LIBRARY IEEE;

3 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

4

5

6 ENTITY tb_led_run IS --空實(shí)體

7 END tb_led_run;

8

9

10 ARCHITECTURE arc_tb_led_run OF tb_led_run IS --結(jié)構(gòu)體

11

12 COMPONENT led_run IS --元件聲明

13 PORT（clk:in std_logic;

14 rst:in std_logic;

15 led:out std_logic_vector（7 downto 0））;

16 END COMPONENT;

17

18 signal clk，rst:std_logic;

19 signal led:std_logic_vector（7 downto 0）;

20 constant clk_period:time：=5 ns;

21

22 BEGIN

23

24 DUT:led_run PORT MAP（clk=》clk，rst=》rst，led=》led）; --元件例化

25

26 clk_gen:PROCESS

27 BEGIN

28 clk《=’1‘;

29 wait for clk_period/2;

30 clk《=’0‘;

31 wait for clk_period/2;

32 END PROCESS;

33

34 tb:PROCESS

35 BEGIN

36 rst《=’0‘;

37 wait for 12 ns;

38 rst《=’1‘;

39 wait;

40 END PROCESS;

41

42 END arc_tb_led_run;

在這個(gè)TestBench中同樣只需要提供clk和rst信號(hào)，分別在兩個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)，Modelsim中的仿真結(jié)果如下（同樣在仿真的時(shí)候?qū)⒎诸l系數(shù)改為2）：

總結(jié)一下，VHDL的TestBench寫法也有相對(duì)固定的格式：

library ieee; --庫聲明

use ieee.std_logic_1164.all;

entity test_bench is --測試平臺(tái)文件的空實(shí)體（不需要端口定義）

end test_bench;

architecture tb_behavior of test_bench is --結(jié)構(gòu)體

component entity_under_test --被測試元件的聲明

port（

list-of-ports-theri-types-and-modes

）;

end component;

begin

instantiation:entity_under_test port map --元件例化

（

port-associations

）;

process（） --產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)

……

end process;

process（） --產(chǎn)生激勵(lì)源

……

end process;

end tb_behavior;

相對(duì)與Verilog語言來說，VHDL的TestBench除了自身的庫聲明以及Entity和Architecture之外，還需要進(jìn)行元件的聲明，即將被測試的設(shè)計(jì)聲明為一個(gè)元件，然后對(duì)其例化。在激勵(lì)的產(chǎn)生方面與Verilog思路相同。

從上面的程序可以看出，Verilog語言相對(duì)比較隨意一些，從C語言編程中繼承了多種操作符和結(jié)構(gòu)；而VHDL的語法則比較嚴(yán)謹(jǐn)，有固定的格式。但在功能的實(shí)現(xiàn)上二者大同小異。比如Verilog中的always語句，在VHDL中可以找到PROCESS與之對(duì)應(yīng)，當(dāng)然更多的是不同。

兩種語言均可在不同的抽象層次對(duì)電路進(jìn)行描述：系統(tǒng)級(jí)、算法級(jí)、寄存器傳輸級(jí)、邏輯門級(jí)和開關(guān)電路級(jí)，但是VHDL更擅長系統(tǒng)級(jí)，而Verilog更方便底層描述。在學(xué)習(xí)硬件描述語言的時(shí)候不妨對(duì)比學(xué)習(xí)一下，相信會(huì)對(duì)電路設(shè)計(jì)的理解更加深一層。

編輯：jq