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VHDL语言基础-Testbech

news 2026/2/7 17:37:45

VHDL仿真概述:

基本结构:

VHDL一般仿真过程:

仿真测试平台文件:

编写测试平台文件的语言:

一个测试平台文件的基本结构如下：

测试平台文件包含的基本语句:

产生激励信号的方式:

时钟信号:

复位信号:

周期信性信号:

使用延迟DELAYD:

一般的激励信号:

动态激励信号:

使用测试矢量:

测试平台文件:

定义所测试元件的VHDL程序，该程序是一个简单的Mealy型状态机演示程序:

仿真响应:

控制仿真:

断言语句（ASSERT):

文件I/O的读写:

从文件加载数据或将数据存储到文件中:

定义文件:

打开文件:

定义文件句柄后就可以在程序中打开指定文件，同时指定打开模式。

读写文件:

关闭文件:

VHDL’93标准包括如下重要的文件I/O操作子程序:

VHDL仿真概述:

VHDL仿真器,如modelsim,需要以下输入

设计的描述（项目的VHDL程序）

驱动设计的激励

在VHDL本身是自激励时则无需此输入

基本结构:

VHDL一般仿真过程:

仿真测试平台文件:

测试平台文件:

定义：可以用来验证所设计的硬件模型的正确性的VHDL模型。

作用：为所测试的原件提供了激励信号，仿真结果可以以波形的方式显示或存储测试结果到文件中。

激励信号:

可以直接集成在测试平台文件中，也可以从外部文件中加载。

编写测试平台文件的语言:

一个测试平台文件的基本结构如下：

测试平台文件包含的基本语句:

实体的定义语句

不需要定义端口，只和被测试元件（DUT）通过内部信号相连接

所测试元件的例化语句

产生时钟信号语句

产生激励源语句

产生激励信号的方式:

以一定的离散时间间隔产生激励信号

基于实体的状态产生激励信号

下面通过实例，讲述激励信号的产生

时钟信号:

一个周期性的激励信号可以使用一个并行的信号赋值语句来建立；

例如下面的语句即是建立周期为40ns的信号。

A <= not A after 20 ns; --产生一个周期为40ns的信号A

其对应的时钟波形如下图:时钟信号是同步设计中最重要的信号之一。它既可以使用并行的信号赋值语句产生（如上面的语句），也可以使用时钟产生的进程来实现定义。当使用并行的信号赋值语句时，产生的时钟信号可以是对称的或不对称的，但是信号的初始值不能为‘u’

如果使用进程来定义信号，也可以产生各种时钟信号，包括对称和不对称的。在大部分情况下，时钟信号是一直运行的，并且是对称的。当定义不对称的时钟信号，如果使用并行信号幅值语句，则需要使用条件信号赋值语句；如果使用进程，则比较简单，使用顺序逻辑就可以。下面语句使用条件信号赋值语句，定义了一个25%占空比的时钟信号：

W_CLK <= '0' after PERIOD/4 when W_CLK = '1' else

'1' after 3*PERIOD/4 when W_CLK = '0' else

'0';

上述两个对称和不对称的时钟信号，也可以使用进程来定义，如下：

复位信号:

实现方式

使用并行赋值语句

在进程中设定

例如下面复位信号设置：仿真开始时，复位信号为’0’；经过20ns后，复位信号变为’1’；再经过20ns后，复位信号变为’0’。

RESET <= '0', '1' after 20 ns, '0' after 40 ns;

再例如另一个复位信号设置实例，代码如下：

RESET <= '0', '1' after 100 ns, '0' after 180 ns, '1' after 210 ns;

RESET信号初始为’0’，经过100ns后，变为’1’;再经过80ns，该信号变为’0’;再经过30ns，该信号返回到’1’。其波形如下：

周期信性信号:

可以在进程中使用信号赋值语句实现信号的周期性信号设置。

上例定义了两个周期性信号，为了实现信号的周期性变化，后面使用一个WAIT语句。其波形如下：

使用延迟DELAYD:

可使用预定义属性DELAYD关键词来产生信号。如果已经产生了一个时钟信号，在这个时钟信号的基础上，可以使用DELAYD来使已经产生的时钟信号延迟一定的时间，从而获得另一个时钟信号。

假如我们已经使用如下的语句定义了一个时钟信号W_CLK：

W_CLK <= '1' after 30 ns when W_CLK = '0' else

'0' after 20 ns;

然后可以使用如下的延迟语句获得一个新的时钟信号DLY_W_CLK，它比W_CLK延迟了10ns：

DLY_W_CLK <= W_CLK'DELAYED(10 ns);

以上两个时钟信号波形如下：

一般的激励信号:

所定义的普通的激励信号来用作模型的输入信号；

通常在进程中定义；

一般使用WAIT语句来定义。

例如下面的激励信号定义：

其波形如下:

动态激励信号:

动态激励信号，就是被仿真的实体（DUT）的行为模型相关，即DUT的输入激励信号受模型的行为所影响。

如下信号的定义，模型的输入信号Sig_A和模型输出信号Count相关。

使用测试矢量:

将一组固定的输入输出矢量值存储在一个常量表或一个ascii文件中，然后将这些值应用到输入信号从而产生激励信号；

矢量的值序列可以使用多维数组或使用多列记录来描述。

如下面的数据表存储了输入矢量：

假设所测试的实体（DUT）具有4个输入：A、B、C和D信号，如果以一般的时间间隔应用测试矢量，则可以使用一个GENERATE语句，例：

如果将信号应用于任意时间间隔，则需要使用并行的信号赋值语句产生多个信号的波形；使用这种方法可以将一个矢量赋值给多个信号，例如下面的代码：

测试平台文件:

时钟周期为20ns，在一个时钟波形产生进程中定义。激励信号波形在另一个进程中产生。实体为一个空实体，没有输入输出信号端口。

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY S_MACHINE_TB IS
END;ARCHITECTURE BHV OF S_MACHINE_TB ISCOMPONENT S_MACHINEPORT (CLK, RESET: IN STD_LOGIC;STARE_INPUTS: IN STD_LOGIC_VECTOR (0 TO 1);COMB_OUTPUTS: OUT STD_LOGIC_VECTOR (0 TO 1));END COMPONENT;--INPUT SIGNALSIGNAL CLK: STD_LOGIC := '0';
SIGNAL RESET: STD_LOGIC := '0';
SIGNAL STARE_INPUTS: STD_LOGIC_VECTOR (0 TO 1) := "00";
--OUTPUT SIGNAL
SIGNAL COMB_OUTPUTS: STD_LOGIC_VECTOR (0 TO 1);--TIMER PERIOD DEFINE
CONSTANT CLK_PERIOD: TIME := 20 NS;
BEGIN--component instantiationDUT:S_MACHINE PORT MAP(CLK=>CLK, RESET=>RESET, STARE_INPUTS=>STARE_INPUTS, COMB_OUTPUTS=>COMB_OUTPUTS);--generate clock signalclk_gen: PROCESSBEGIN
CLK <= '1';WAIT FOR CLK_PERIOD/2;CLK <= '0';WAIT FOR CLK_PERIOD/2;END PROCESS;--drive signalTB: PROCESSBEGINWAIT FOR 20 NS;RESET <= '1';WAIT FOR 20 NS;RESET <= '0';WAIT FOR 210 NS;STARE_INPUTS <= "01";WAIT FOR 20 NS;STARE_INPUTS <= "10";      WAIT  FOR  20 NS;
STARE_INPUTS <= "11";WAIT FOR 20 NS;STARE_INPUTS <= "00";WAIT FOR 20 NS;STARE_INPUTS <= "11";WAIT FOR 20 NS;STARE_INPUTS <= "10";WAIT FOR 20 NS;STARE_INPUTS <= "01";WAIT FOR 20 NS;STARE_INPUTS <= "00";WAIT FOR 20 NS;WAIT;END PROCESS;   END;

定义所测试元件的VHDL程序，该程序是一个简单的Mealy型状态机演示程序:

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY S_MACHINE ISPORT (CLK, RESET: IN STD_LOGIC;STARE_INPUTS: IN STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 1);COMB_OUTPUTS: OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 1));
END;ARCHITECTURE ART OF S_MACHINE ISTYPE STATES IS (ST0, ST1, ST2, ST3); --define STATES as enumSIGNAL CURRENT_STATE, NEXT_STATE: STATES;BEGIN
REG: PROCESS (RESET, CLK)BEGINIF RESET = '1' THENCURRENT_STATE <= ST0;ELSIF(CLK = '1' AND CLK'EVENT) THENCURRENT_STATE <= NEXT_STATE;END IF;END PROCESS;COM: PROCESS(CURRENT_STATE, STARE_INPUTS)  --feedback signalBEGINCASE CURRENT_STATE ISWHEN ST0=>COMB_OUTPUTS<="00";IF STARE_INPUTS="00" THENNEXT_STATE<=ST0;ELSENEXT_STATE<=ST1;END IF;WHEN ST1=>COMB_OUTPUTS<="01";IF STARE_INPUTS = "00" THENNEXT_STATE <= ST1;ELSENEXT_STATE <= ST2;END IF;WHEN ST2=>COMB_OUTPUTS <= "10";IF STARE_INPUTS = "11" THEN
NEXT_STATE <= ST2;ELSENEXT_STATE <= ST3;END IF;WHEN ST3=>COMB_OUTPUTS <= "11";IF STARE_INPUTS = "11" THENNEXT_STATE <= ST3;ELSE NEXT_STATE <= ST0;END IF;END CASE;END PROCESS;END ART;

使用以上测试平台文件对元件进行功能仿真，仿真结果如下图：

仿真响应:

控制仿真:

无控制，则仿真会一直持续到时间等于设定的仿真时间；

如果想在某个时间终止仿真，可使用断言语句ASSERT来实现；

另外，ASSERT语句可以实现对某些值或行为作出响应。

断言语句（ASSERT):

最适合于执行仿真的自动响应；

可以检查一个条件并报告信息；

根据所选择的严重级别和仿真工具的设置，在ASSERT语句报告了信息后，仿真可以继续执行（警告级别WARNING）或者停止（错误ERROR或致命错误FAILURE），默认的严重级别为ERROR

使用断言语句判断仿真的时间，如果当前时间为1000ns，则仿真完成，使用ERROR严重级别终止仿真过程。

断言语句判断条件时，如果条件的判断结果为FALSE，则执行后面的报告及严重级语句，否则仿真会忽略后面的报告和严重级语句并继续执行。

可以使用ASSERT语句设定一个判断条件，以便对仿真的某个结果或值做出响应，例如：

下面的程序为4位计数器的行为模型，计数器的位数为4位。方向由信号DIR决定，如果DIR为高电平，则正向计数，如果DIR为低电平，则反向计数。计数结果保存在CT_RESULT信号中。

下面的程序为测试平台，在程序中，一个断言语句用于判断计数结果是否等于”1001”。条件判断使用了“不等于（/=）逻辑”，如果判断条件为FALSE，即等于“1001”，则报告信息，并终止仿真。

以上测试文件在Modelsim中的仿真波形如下:

当计数到”1001”，在Modelsim的信息栏输出所要报告的信息，如下：

文件I/O的读写:

从文件加载数据或将数据存储到文件中:

例如用户定义的测试矢量可以保存在文件中，然后在仿真时从文件中读取这些测试矢量。

另外，仿真的结果可以保存在文件中。

VHDL’93的文件I/O读写主要是用于仿真，综合工具并不支持文件I/O的读写。

如果想在仿真时进行文件操作，必须包括标准库STD中的TEXTIO定义的程序库，该程序库中包含了文件啊你输入输出所需要的基本子程序（函数和过程）。

定义文件:

文件的两个类型:

Integer：文件中的数据是以二进制存取的，不能被人识别，只有integer型的数据能够存入这列文件。

String：文件是以ascii码形式读取的，可以被人识别；integer、bit_vector(x downto y)、string(x downto 1)、std_logic_vector(x downto o)、bit等都可以被存入此类文件。