verilog程序设计及SystemVerilog验证

1.Verilog测试程序设计基础
1.1Testbench及其结构
在仿真的时候Testbench用来产生测试激励给待验证设计( Design Under Verification, DUV)，或者称为待测设计(Design UnderTest, DUT) 。

测试程序的一般结构：

Testbench是一个测试平台，信号集成在模块内部，没有输入输出。在Testbench模块内，例化待测设计的顶层模块，并把测试行为的代码封装在内，直接对待测系统提供测试激励。

例：T触发器测试程序

module TFF_tb;
reg clk, rst_n, T;
wire data_out;
TFF U1(.data_out(data_out), .T(T), .clk(clk), .rst_n(rst_n)); //对被测模块实例化
    always
        #5 clk = ~clk;
    Initial 
        begin
            clk = 0;
            #3 rst_n = 0;
            #5 rst_n = 1;
            T = 1;
            #30 T = 0;
            #20 T = 1;
        end
    Initial
        begin
            $monitor($time,"T=%b, clk=%b,rst_n=%b,data_out=%b", T, clk, rst_n,data_out);
        end
endmodule

T触发器的波形仿真和文本输出：

从下图可以清晰地看出Testbench的主要功能：
（1）为DUT提供激励信号0。
（2）正确实例化DUT。
（3）将仿真数据显示在终端或者存为文件，也可以显示在波形窗口中以供分析检查。
（4）复杂设计可以使用EDA工具，或者通过用户接口自动比较仿真结果与理想值，实现结果的自动检查。

在编写Testbench时需要注意的问题：
（1）testbench代码不需要可综合
Testbench代码只是硬件行为描述不是硬件设计。
（2）行为级描述效率高
Verilog HDL语言具备5个描述层次，分别为开关级、门级、RTL级、算法级和系统级。
（3）掌握结构化、程式化的描述方式
结构化的描述有利于设计维护，可通过initial、always以及assign语句将不同的测试激励划分开来。
一般不要将所有的测试都放在一个语句块中

2.2测试平台举例
测试平台需要产生时钟信号、复位信号和一系列的仿真向量，观察DUT的响应，确认仿真结果。

（1）组合逻辑电路仿真环境搭建
全加器真值表：

module adder1 (a, b, ci, so, co); 
input a, b, ci ; 
output so, co ; 
assign { co , so } = a + b + ci ; 
endmodule

根据全加器的真值表编写的全加器测试程序如下：

module adder1_tb ;
 wire so, co;
 reg a, b, ci; 
 adder1 U1(a, b, ci, so, co); //模块例化
 initial //测试信号产生 
     begin
          a = 0; b = 0; ci = 0; 
          #20 a = 0; b = 0; ci = 1; 
          #20 a = 0; b = 1; ci = 0; 
          #20 a = 0; b = 1; ci = 1; 
          #20 a = 1; b = 0; ci = 0;
          #20 a = 1; b = 0; ci = 1; 
          #20 a = 1; b = 1; ci = 0; 
          #20 a = 1; b = 1; ci = 1; 
          #200 $finish; 
    end 
endmodule

全加器的输入a、b和ci定义为reg型变量，把输出so和co定义为wire型变量；用模块例化语句
"adder1 U1(a，b，ci，so，co);"把全加器设计电路例化到测试仿真环境中；用initial块语句改变输入的变化并生成测试条件，输入的变化语句完全根据全加器的真值表编写

（2）时序逻辑电路仿真环境的搭建
在于时序逻辑电路仿真环境中，需要考虑时序、定时信息和全局复位、置位等信号，并定义这些信号。

用Verilog编写的十进制加法计数器：

module cnt10(cIk ,rst, ena, q, cout); 
input clk,rst,ena; 
output [3:0] q;
output cout; 
reg [3:0] q;
always@(posedge clk or posedge rst) 
    begin
        if(rst)q=4’b0000;
            else if(ena)
                begin
                    if(q<9)
                        q=q+1;
                    else 
                        q=0;
                end
    end
assign cout=q[3]&q[0];
endmodule

测试程序代码：

module cnt10_tb; 
reg clk, rst, ena; 
wire [3:0] q;
wire cout;
cnt10 U1(clk ,rst, ena, q, cout); 
always #50 clk = ~clk; 
initial 
    begin
        clk=0;rst=0;ena=1; 
        #1200 rst=1;
        #120 rst=0;
        #2000 ena=0;
        #200 ena=1;
        #20000 $finish; 
    end
endmodule

实例化语句"cnt10 U1(clk,rst,ena,q,cout);“把十进制计数模块例化到仿真环境中；
在always中用语句”#50 clk=~clk;"产生周期为100（标准时间单位）的时钟方波；
用initial块生成复位信号rst和使能控制信号ena的测试条件。
测试结果如图：

2.3Verilog仿真结果确认
（1）直接观察波形
通过直接观察各信号波形的输出，比较测试值和期望值的大小，来确定仿真结果的正确性。

（2）打印文本输出法

module adder1_tb; 
wire so,co; 
reg a,b,ci; 
adderl U1(a,b,ci,so,co);
initial
    begin
        a=0;b=0;ci=0;
        #20 a=0;b=0;ci=1;
        #20 a=0;b=1 ;ci=0;
        #20 a=0;b=1 ;ci=1;
        #20 a=1 ;b=0;ci=0;
        #20 a=1 ;b=0;ci=1;
        #20 a=1 ;b=1 ;ci=0;
        #20 a=1;b=1;ci=1;
        #200 $finish; 
    end
    $monitor($time, "%b %b %b -> %b %b”,a, b, ci, so, co);
endmodule

输出结果：

0 0 0 0 -> 0 0
20 0 0 1 -> 1 0
40 0 1 0 -> 1 0
60 0 1 1 -> 0 1
80 1 0 0-> 1 0

系统任务打印任务：
$display:直接输出到标准输出设备；
$monitor:监控参数变化；
$fdisplay:输出到文件等。

（3）自动检查仿真结果
自动检查仿真结果是通过在设计代码中的关键节点添加断言监控器，形成对电路逻辑综合的注释或是对设计特点的说明，以提高设计模块的观察性。

（4）使用VCD文件
Verilog提供一系列系统任务用于记录信号值变化保存到标准的VCD（Value Change Dump）格式数据库中。VCD文件是一种标准格式的波形记录文件，只记录发生变化的波形。

2.4Verilog仿真效率
因为要通过串行软件代码完成并行语义的转化，Verilog行为级仿真代码的执行时间比较长。

提高Verilog HDL代码的仿真代码执行时间：
（1）减小层次结构
仿真代码的层次越少，执行时间就越短。
（2） 减少门级代码的使用
由于门级建模属于结构级建模，建议仿真代码尽量使用行为级语句，建模层次越抽象，执行时间就越短。
（3） 仿真精度越高，效率越低
计时单位值与计时精度值的差距越大，则模拟时间越长。`timescale仿真时间标度。
（4） 进程越少，效率越高
代码中的语句块越少仿真越快，这是因为仿真器在不同进程之间进行切换也需要时间。
（5） 减少仿真器的输出显小
Verilog语言包含一些系统任务，可以在仿真器的控制台显示窗口输出一些提示信息，但会降低仿真器的执行效率。