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FPGA基础 -- Verilog 验证平台之 cocotb 验证 `阶乘计算模块（factorial）` 的例子

news 来源：原创 2025/6/25 13:28:40

一个完整的 cocotb 验证 阶乘计算模块（factorial） 的例子，涵盖：

Verilog RTL 设计（组合/时序可选）
cocotb Python 验证平台（含随机激励、断言、日志）
仿真运行说明（使用 iverilog + gtkwave）

1. Verilog RTL：阶乘计算器（同步启动、串行计算）

// factorial.v
module factorial (input         clk,input         rst_n,input         start,input  [3:0]  n,         // 最大支持 15!（4位）output reg    done,output reg [31:0] result
);reg [3:0] i;reg [31:0] acc;reg busy;always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginacc    <= 1;i      <= 0;busy   <= 0;done   <= 0;result <= 0;end else beginif (start && !busy) beginacc  <= 1;i    <= n;busy <= 1;done <= 0;end else if (busy) beginif (i > 1) beginacc <= acc * i;i   <= i - 1;end else beginresult <= acc;busy   <= 0;done   <= 1;endend else begindone <= 0;endendend
endmodule

2. cocotb 测试代码：测试随机 0~12 的阶乘

# test_factorial.py
import cocotb
from cocotb.triggers import RisingEdge, Timer
from cocotb.clock import Clock
import random
import math@cocotb.test()
async def test_factorial(dut):"""随机测试多组阶乘计算"""# 创建时钟 10ns 周期cocotb.start_soon(Clock(dut.clk, 10, units="ns").start())# 初始化dut.rst_n.value = 0dut.start.value = 0dut.n.value = 0await RisingEdge(dut.clk)dut.rst_n.value = 1await RisingEdge(dut.clk)for trial in range(10):x = random.randint(0, 12)expected = math.factorial(x)# 启动计算dut.n.value = xdut.start.value = 1await RisingEdge(dut.clk)dut.start.value = 0# 等待 donefor _ in range(50):await RisingEdge(dut.clk)if dut.done.value:breakelse:assert False, f"Timeout: DUT failed to complete for n={x}"got = dut.result.value.integerassert got == expected, f"Failed: {x}! = {got}, expected {expected}"dut._log.info(f"PASS: {x}! = {got}")

3. 仿真运行说明（以 `Icarus Verilog + cocotb` 为例）

文件结构

project/
├── factorial.v
├── test_factorial.py
├── Makefile

Makefile 示例（适配 Icarus）

TOPLEVEL_LANG = verilog
VERILOG_SOURCES = $(PWD)/factorial.v
TOPLEVEL = factorial
MODULE = test_factorialSIM = icarusinclude $(shell cocotb-config --makefiles)/Makefile.sim

4. 运行与结果

make

输出类似：

[INFO] cocotb.regression                         Test Passed: test_factorial
PASS: 5! = 120
PASS: 0! = 1
PASS: 7! = 5040
...

5. 优点总结（相比纯 Verilog TB）

项目	cocotb 测试优势
语言友好	使用 Python 写用例、随机测试、断言都非常简单
数学函数丰富	可直接调用 `math.factorial` 做黄金模型
日志与报错	`assert` + `dut._log.info` 提供直观日志
脚本化测试	易于与 GitLab CI / pytest 等整合