Testbench自动化验证方法介绍

??自动化验证testbench结果可以减少人工检查的时间和可能犯的失误，尤其对于比较大的设计。目前普遍使用三种自动化testbench验证方法：

数据库比较：首先创建一个包含预期输出的数据库文件（称作goldenvector文件），然后捕获仿真输出与该文件中的参考向量作比较。但是由于没有提供从输出到输入文件的指针，该方法的缺点是难以追踪导致不正确输出的错误源。

波形比较：将testbench输出波形与预期波形作比较。Xilinx曾推出过一款HDL Bencher的工具，可以执行自动化的波形比较，不过目前由于该方法很少使用，Xilinx也下架了该工具。

自我检查testbench设计：与前两种方法不同，该方法实时检查预期结果和实际结果，而不是仿真结束后才检查。在testbench中插入错误追踪信息可以显示设计在哪里失败，从而缩短调试时间。

??本文将介绍最后一种自动化验证方法。将一系列预期向量（比如由MATLAB等软件产生）放在testbench文件中，在运行时间间隔与实际仿真结果比较，如果匹配则表明仿真成功；不匹配则报告结果不符。

??比较时间可以选择在每个时钟边沿，或者没n个时钟周期比较一次，总而言之要与设计相符合。比如内存I/O的testbench应该在读出或写入一个新数据后就进行比较；如何设计使用了大量组合逻辑模块，选取比较时间必须考虑组合逻辑延迟。

??对于中小型设计而言，自我检查的testbench设计方法是一种不错的选择，但是对于复杂的大型设计，可能的输出组合呈指数形式增加，编写一个自我检查testbench将会困难很多。下面给出一个自我检查testbench的设计示例（来源于xapp199）：

`timescale 1 ns / 1 ps
module test_sc;

// 信号申明
reg tbreset, tbstrtstop;
reg tbclk;
wire [6:0] onesout, tensout;
wire [9:0] tbtenthsout;
parameter cycles = 25;
reg [9:0] Data_in_t [0:cycles];

// 实例化设计
stopwatch UUT (.CLK (tbclk), .RESET (tbreset), .STRTSTOP (tbstrtstop),
.ONESOUT (onesout), .TENSOUT (tensout), .TENTHSOUT (tbtenthsout));
wire [4:0] tbonesout, tbtensout;
assign tbtensout = led2hex(tensout);
assign tbonesout = led2hex(onesout);
//-------------------------------------------------------------
// 预期结果
//-------------------------------------------------------------
initial begin
  Data_in_t[1] =10'b1111111110;
  Data_in_t[2] =10'b1111111101;
  Data_in_t[3] =10'b1111111011;
  Data_in_t[4] =10'b1111110111;
  Data_in_t[5] =10'b1111101111;
  Data_in_t[6] =10'b1111011111;
  Data_in_t[7] =10'b1110111111;
  Data_in_t[8] =10'b1101111111;
  Data_in_t[9] =10'b1011111111;
  Data_in_t[10]=10'b0111111111;
  Data_in_t[11]=10'b1111111110;
  Data_in_t[12]=10'b1111111110;
  Data_in_t[13]=10'b1111111101;
  Data_in_t[14]=10'b1111111011;
  Data_in_t[15]=10'b1111110111;
  Data_in_t[16]=10'b1111101111;
  Data_in_t[17]=10'b1111011111;
  Data_in_t[18]=10'b1110111111;
  Data_in_t[19]=10'b1101111111;
  Data_in_t[20]=10'b1011111111;
  Data_in_t[21]=10'b0111111111;
  Data_in_t[22]=10'b1111111110;
  Data_in_t[23]=10'b1111111110;
  Data_in_t[24]=10'b1111111101;
  Data_in_t[25]=10'b1111111011;
end

reg GSR;
assign glbl.GSR = GSR;
initial begin
  GSR = 1;
  // 等到全局复位结束
  #100 GSR = 0;
end

//建立一个时钟
initial begin
  tbclk = 0;
  //全局复位结束后开始产生时钟信号
  #100 forever #60 tbclk = ~tbclk; 
end

//给出设计激励
initial begin
  tbreset = 1;
  tbstrtstop = 1;
  #240 tbreset = 0;
  tbstrtstop = 0;
  #5000 tbstrtstop = 1;
  #8125 tbstrtstop = 0;
  #500 tbstrtstop = 1;
  #875 tbreset = 1;
  #375 tbreset = 0;
  #700 tbstrtstop = 0;
  #550 tbstrtstop = 1;
  #100000 $stop;
end

//-------------------------------------------------------------
// 在每个时钟的下降沿比较预期结果和实际结果
//-------------------------------------------------------------
integer i,errors;

always @ (posedge tbclk) begin
  if (tbstrtstop) begin
    i = 0;
    errors = 0;
  end
  else begin
  for (i = 1; i <= cycles; i = i + 1) begin
 ? ? ? ?@(negedge tbclk)
 ? ? ? ?// 每个下降沿检查结果
 ? ? ? ?$display("Time%d ns; TBSTRTSTOP=%b; Reset=%h; Expected
 ? ? ? ?TenthsOut=%b; Actual TenthsOut=%b", $stime, tbstrtstop, tbreset,
 ? ? ? ?Data_in_t[i], tbtenthsout);
 ? ? ? ?if ( tbtenthsout !== Data_in_t[i] ) begin
 ? ? ? ? ? ?$display(" ------ERROR. A mismatch has occurred-----");
 ? ? ? ? ? ?errors = errors + 1;
 ? ? ? ?end
 ? ?end

 ? ?if (errors == 0)
 ? ? ? ?$display("Simulation finished Successfully.");
 ? ?else if (errors > 1)
    $display("%0d ERROR! See log above for details.",errors);
  else
    $display("ERROR! See log above for details.");
  #100 $stop;
  end
end
endmodule

??上述代码中，将预期结果和实际结果的比较情况显示在终端。该代码模板可应用于任何设计的自我检查testbench中，需要修改实例化接口和预期的输出值。如果不需要在每个时钟沿检查一次数据，则修改for循环的执行条件。

审核编辑：刘清