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编写Testbench的一些技巧

时间:2013-08-27  来源:123485.com  作者:9stone

1 Testbench的结构
1) 单顶层结构
    一种结构是testbench 只有一个顶层,顶层再把所有的模块实例化进去。打个比方,类似树结构,只有一个模块有子节点而没有父节点,其它模块都有父节点。如下图结构所示:
 
    测试模块是一些接口模型,接口模型还可能包含了一些激励在内。测试模块和DUV之间通过端口映射进行互连。

2) 多顶层结构
    另外一种结构是多顶层结构,如下图所示:
 
    在这种结构中,有一个顶层是作为测试向量模块,一个或多个顶层是一些公用子程序,这些子程序由于完成一些通用的功能被封装成任务、函数等被公用。
    还有一个叫harness的顶层,该顶层由DUV和一些接口模型构成一个狭义上的测试平台,其它模块可以调用BFM里面的 task 或 event 等,向DUV施加激励。注意这些顶层之间是没有端口映射的,它们之间的互相调用和访问是通过层次路径名的方式来访问,上图的虚线表示层次路径名的访问。下面举例说明层次路径是如何访问的。
    由于大部分人对C都有所认识,在这里作个比较,便于了解。Verilog HDL的顶层类似于C的结构体,而实例化的模块、任务、函数、变量等就是结构体里的成员,可以通过句点( . )隔开的方式访问结构体里面的每一个成员。如:顶层 harness 实例化进来的模块 BFM1 里面有一个任务SEND_DATA , 该任务可以产生激励输入到DUV,在 testcase 里调用该任务就可写为:
initial
begin
  ……
  harness . BFM1 . SEND_DATA ( …… ) ;
end
    多顶层结构的可扩展和重用性比单顶层结构强得多。层次路径的访问方式非常有用,在下一节会讲述更多的应用。

2 如何编写Testbench
1) 何时使用initial和always
    initial和always 是2个基本的过程结构语句,在仿真的一开始即开始相互并行执行。通常被动的检测响应使用always语句,而主动的产生激励使用initial语句。
    initial和always的区别是always 语句不断地重复执行,initial语句则只执行一次。但是,如果希望在initial里的多次运行一个语句块,怎么办?这时可以在initial里嵌入循环语句(while,repeat,for,forever 等),如:
initial
begin
forever /* 无条件连续执行*/
begin
  ……
  end
end
    其它循环语句请参考一些教材,这里不作赘述。
    另外,如果希望在仿真的某一时刻同时启动多个任务,可以使用fork....join语句。例如,在仿真开始的 100 ns 后,希望同时启动发送和接收任务,而不是发送完毕后再进行接收,如下所示:
initial
begin
  #100 ;
  fork /*并行执行 */
    Send_task ;
    Receive_task ;
  join
End

2) 如何作多种工作模式的遍历测试
    如果设计的工作模式很多,免不了做各种模式的遍历测试,而遍历测试是需要非常大的工作量的。我们经常遇到这样的情况:很多时候,各种模式之间仅仅是部分寄存器配置值的不同,而各模式间的测试都是雷同的。有什么方法可以减轻这种遍历测试的工作量?不妨试试for循环语句,采用循环变量来传递各种模式的配置值,会帮助减少很多测试代码,而且不会漏掉每一种模式.
initial
begin
  for ( i = 0 ; i < m ; i = i + 1 ) /*遍历模式1至模式m*/
    for ( j = 0 ; j < n ; j = j +1 ) /*遍历子模式1至子模式n */
    begin
      case ( j ) /* 设置每种模式所需的配置值 */
      0 : 配置值 = a ;
      1 : 配置值 = b ;
      2 : 配置值 = c ;
      ……
      endcase
/*共同的测试向量*/
    end
end

3) 如何加速问题定位过程
    在这部分里,通过一些实际例子,介绍在出现问题时如何借助 testbench 加快问题的定位过程。
1、监测内存分配
 
内存分配和回收示意图
    在这个例子里,假设总共有2K的内存块,希望在测试程序里监测内存分配和回收的块号是否正确,监测是否存在同一块号重复分配、重复回收的情况。设置一个2K位的变量对内存的使用情况进行记录,每一位对应一个内存块,空闲的块号记为1,被占用的块号记为0。该变量的初始值为全1,当分配一个块号出去时先判断该位是否为空闲,若是空闲则将该位设置为被占用,否则就为重复分配错误。相反,当回收一个块号时,先判断该位是否被占用,若是被占用则将该位设置为空闲,否则就为重复回收错误。程序如下:
always @(posedge Clk or negedge Rst )
begin
  if ( Rst == 1'b0 )
    Mem_status <= 2048 {1'b1} ;
  else
  begin
    if ( 层次路径 . rd ) /* 监测内存分配,block_rd 是分配的内存块号*/
      if ( Mem_status [ block_rd ] == 1'b1 )
        Mem_status [ block_rd ] <= 1'b0 ;
      else
      begin
        $display ( "Error! 重复分配同一内存块!") ;
        $stop ;
      end
    if ( 层次路径 . wr ) /* 监测内存回收,block_wr 是回收的内存块号*/
      if ( Mem_status [ block_wr ] == 1'b0 )
        Mem_status [ block_wr ] <= 1'b1 ;
      else
      begin
      $display ( "Error! 重复回收同一内存块!") ;
      $stop ;
      end
    end
End

2、监测内部接口
    如果你是位验证工程师,在做芯片级的仿真时,相信你会或曾遇到过这样的问题:在一个端口输入了激励数据,但另一端口却得不到正确的响应,而且这条路径涉及到很多模块和很多个不同设计者,为了定位问题,你可能很盲目地逐个找来设计人员,逐个模块地记录仿真波形,到解决问题时,可能几天已经过去了。
    我们都知道,如果问题定位在越小的范围,就越便于解决问题。所以,我们可以把模块接口间交换的数据记录到文件里,当出现问题时,就可以查看各接口的记录数据,看问题到底出现在哪个区间,简单地查看记录文件后,你就明确该找那位designer来解决问题。

3、记录有用的DEBUG信息
     记录有用的debug信息,输出到标准的I/O设备上(屏幕或文件),会给你的debug带来很大的便利,由上面的例子也可见一斑,在检测到有错误时也可使用$stop令仿真停下来。
    值得注意的是,UNIX系统只有32个I/O,每个输出文件占用1个I/O设备号,其中第1个是屏幕显示,设备号是32'b1,其它I/O设备号由输出文件占用,一个信息可同时输出到屏幕和文件,如:
initial
begin
  Ptr_log = $fopen ("log.txt ") ; /* 创建一个文件,获得文件指针 */
  Ptr_log = Ptr_log | 32'b1 ; /* 指针同时指向 log.txt 文件和屏幕 */
end
always @(……)
begin
  $fwrite ( Ptr_log, "useul message ",……) ; /*信息除了记录到文件同时,还显示到屏幕*/
  ……
end
    虽然记录文件会给debug带来很多便利,但文件操作会降低仿真的速度,因此应当适可而止。
    另外写文件通常有2种方式,不同的仿真工具有所差异。一种是每写一个字节打开关闭一次文件,如Verilog-XL。另一种是先把字符暂存到内存,等累积到一定数量(如8K字节)后再通过DMA方式把字符从内存写到文件,如Verilog-NC。因此,后一种方式就大大地降低了文件的操作次数,有利于提高仿真速度。

3 编写Testbench的一些高级技巧
    Verilog HDL提供很多方便和高效的建模语句,这在大多数参考书上都有介绍,在这节,只介绍一些参考教材很少介绍而较有用的建模语句。
1) force 和 release
    望文生义,force即是可以对变量和信号强制性地赋予确定的值,而release就是解除force的作用,恢复为驱动源的值。例如:
wire a ;
assign a = 1'b0 ;
initial
begin
  #10 ;
  force a = 1'b1 ;
  #10
  release a ;
end
    在10 ns时,a 的值由0变为1,在20ns时,a 的值又恢复为0 。
    force 和release并不常用,有时,可以利用它们和仿真工具做简单的交互操作。例如,Verilog-XL的图形界面可以方便的将一个信号或变量force为0或1,在 testbench 里,可以检测变量是否被force为固定的值,当被force为固定的值时就执行预定的操作,实现了简单交互操作。

2) 事件
    事件有些类似于任务。首先需要定义一个事件,而事件可以作为敏感变量激活一个语句块的操作,事件可由“->”符号进行触发,如下例:
event e1 ; /*定义一个事件*/
always @( e1 ) /*事件e1 作为敏感变量*/
begin
  .....
end
initial
begin
  —> e1 ; /*创建事件e1来触发上面的always语句*/
  .....
end
    事件(event )与任务(task)的区别是:执行事件触发后可以立即继续往下执行语句,只起一个触发作用,至于被触发的事件何时执行完毕并不影响程序继续执行。而调用一个任务后,必须等待任务完成才能返回控制权。

3) 模块参数
    当一个模块引用另外一个模块时,高层模块可以改变低层模块用parameter定义的参数值,改变低层模块的参数值可采用以下两种方式:
1)defparam 重定义参数
语法:defparam path_name = value ;
低层模块的参数可以通过层次路径名重新定义,如下例:
module top ( .....)
input....;
output....;
defparam U1 . Para1 = 10 ; /*修改实例 U1 模块中的para1 */
M1 U1 (..........);
endmodule
module M1(....);
parameter para1 = 5 ;
input...;
output...;
......
endmodule
在上例中,模块M1参数 para1 的缺省值为5,而模块top实例了M1后将参数的值改为10。

2) 实例化时传递参数
    在这种方法中,实例化时把参数传递进去,如下例所示:
module top ( .....)
input....;
output....;
M1 #( 10 ) U1 (..........);
endmodule
在该例中,用#( 10 )修改了上例中的参数para1,当有多个参数时,用逗号隔开,如#( 10 , 5 ,

3 )传递了3个参数值
    模块参数的方法使得模块的重用性更强,当需要在同一个设计中多次实例化同样的模块,只是参数值不同时,就可以采用模块参数的方式,而不必只因为参数不同产生了多个文件。

4) 其他要注意的几个点
4) 注意@与wait的区别
@都是使用沿触发。
wait语句都是使用电平触发。

5) 注意$sreadmemb(h)与$readmemb(h)的区别
$sreadmemb(Memory, StartAddr, FinishAddr, String , ……) :读字符串到Memory。
$readmemb("File", Memory [, StartAddr, [FinishAddr]]) :读取的第一个数字存储在地址
StartAddr,直到FinishAddr。

6) 常用系统任务
$time 返回64位整型时间 。
$stime 返回32位整型时间 。
$realtime 向调用它的模块返回实型模拟时间。


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