FPGA TestBench编写学习

1 `timescale

1.1 简介

timescale指令用于指定编译器在处理仿真时的时间单位和时间精度。这个指令通常在模块的顶层声明中使用，它告诉编译器和仿真器如何解释代码中的时间值。

timescale指令的语法如下：

`timescale <time_unit> <time_precision>

• <time_unit>：这是仿真中使用的时间单位，通常以纳秒（ns）或微秒（us）为单位。例如，如果设置为1ns，那么仿真器会将代码中的1单位时间解释为1纳秒。

• <time_precision>：这是仿真器在处理时间值时的精度。它定义了仿真器在计算和比较时间值时使用的小数点后的位数。例如，如果设置为1ps，那么仿真器会将时间值计算到皮秒（ps）的精度。

一个典型的timescale指令可能如下所示：

`timescale 1ns / 1ps

这表示仿真器将使用1纳秒作为时间单位，并且时间精度为1皮秒。这意味着仿真器在处理时间值时会考虑到1皮秒的精度。

1.2 例子

下面看一个简单的例子来了解下`timescale的使用方法：

`timescale 10ns/1ns     //单位10ns，精度1ns
 
module testbench;
    reg set;
    localparam d = 1.8;
    initial begin
        #1    set = 0;    //1*10 ns  = 10ns
        #d    set = 1;    //1.8*10ns = 18ns
    end
endmodule

• 时间单位设置为10ns，精度设置为1ns
• 第1次在#1时对set赋值0，此时延时时间为10ns，因为时间单位为10ns，#1表示延时1个时间单位
• 第2次在#d时对set赋值1，此时延时时间为18+10ns，因为时间单位为10ns，#d表示延时1.8个时间单位，即18ns

不要设置无意义的高精度，时间精度越高，对应的仿真所消耗的资源和时间就越多。

比如“`timescale 1ns/1ps”，一般仿真时不需要精确到ps级，所以只需要设置成ns级就行，比如“`timescale 1ns/1ns”。

2 时钟信号

parameter Period = 10;//周期
wire clk;
always #(Period/2) clk = ~clk

always #5 clk = ~clk; // 每5个时间单位翻转时钟信号

3 initial语句块

3.1 简介

在Verilog中，initial语句块是一个用来模拟测试的构造，它在仿真开始时执行一次。它通常用于在仿真开始之前对变量进行初始化，或者在仿真过程中生成激励。

initial语句块可以包含一系列的Verilog语句，如变量声明、赋值语句、循环结构（如forever）、条件语句（如if-else）、顺序块（begin-end）等。

Verilog文件中的所有initial块都是同时并发执行的，但在每个initial块内部是按照写入的顺序执行的。

3.2 例子

module test;
  reg [3:0] data;
  initial begin
    data = 4'b0001;  // 初始化data为0001
    #10 data = 4'b0010;  // 经过10个时间单位后，将data赋值为0010
    #10 data = 4'b0100;  // 再过10个时间单位后，将data赋值为0100
    #10 $finish;  // 经过10个时间单位后，结束仿真
  end
endmodule

4 常用系统函数

4.1 $finish

$finish任务用于立即终止当前的仿真。

当执行到$finish时，仿真器会停止仿真，并且不会执行任何后续的仿真时间点。
这个任务通常在测试平台中用于在特定的测试条件满足后结束仿真，例如，当检测到错误或完成了一系列测试后。
使用示例：

initial begin
    // ... 一些初始化代码 ...
    // 执行测试
    if (some_condition) begin
        $display("Test condition met, finishing simulation.");
        $finish; // 终止仿真
    end
end

4.2  $stop

$stop任务用于暂停仿真，但它不会立即终止仿真。

相反，它会停止仿真直到下一个仿真时间点。这意味着仿真器会等待直到下一个时间点，然后根据仿真器的设置，可能会继续仿真或者停在那个时间点。
$stop通常用于调试目的，例如，当仿真器在某个特定的时间点停止时，设计师可以检查电路的状态，然后决定是否继续仿真或者结束仿真。
使用示例：

initial begin
    // ... 一些初始化代码 ...
    // 执行测试
    $display("Pausing simulation for inspection.");
    $stop; // 暂停仿真
    // 如果需要继续仿真，可以在这里添加代码
    // 如果需要结束仿真，可以在这里添加 $finish;
end

$stop一般与wait函数配合使用，检测到仿真结束条件时，停止仿真，这样就不用一直盯着仿真界面。直接在initial语句中，调用该语句即可，如：

reg reset, start_r;
wire data_end;

initial begin
    // 初始化信号
    reset = 1;         // 将reset信号设置为高电平
    start_r = 0;       // 将start_r信号设置为低电平
    
    // 等待10个时间单位
    #10 reset = 0;     // 经过10个时间单位后，将reset信号设置为低电平
    
    // 等待100个时间单位
    #100 start_r = 1;  // 经过100个时间单位后，将start_r信号设置为高电平
    
    // 等待data_end信号变为高电平
    wait(data_end);    // 这会阻塞直到data_end信号变为高电平
    
    // 当data_end变为高电平时，执行$stop
    $stop;             // 暂停仿真，用户可以在此时进行调试
end

4.3 $display

$display用于在仿真过程中输出信息到控制台。它允许设计者在仿真时查看信号的值、变量的状态以及仿真过程中的其他信息。

$display的基本语法如下：

$display(format_string, arg1, arg2, ..., argn);

• format_string：这是一个字符串，用于指定输出的格式。你可以在其中使用格式说明符，如 %d 表示十进制数，%b 表示二进制数，%o 表示八进制数，%x 表示十六进制数等。还可以使用 %m 来输出一个字符串，%t 来输出时间信息，%% 表示字面上的百分号。

• arg1, arg2, ..., argn：这些是要输出的参数，它们的数量和类型应该与 format_string 中的格式说明符相匹配。

使用例子：

module test;
    reg [3:0] a, b;
    initial begin
        a = 4'b1010;
        b = 4'b1100;
        $display("a = %b, b = %b", a, b);  // 输出：a = 1010, b = 1100
        $display("Sum = %d", a + b);       // 输出：Sum = 12
    end
endmodule

4.4 $monitor

$monitor用于在仿真过程中监控指定的信号变化，并在信号值发生变化时输出相关信息。$monitor通常用于调试，因为它可以帮助设计者实时跟踪信号的状态。

用法与$display类似：

module test;
    reg [3:0] a, b;
    initial begin
        a = 4'b0001;
        b = 4'b0010;
        #10 a = 4'b0010;
        #10 b = 4'b0100;
        #10 a = 4'b0101;
    end

    initial begin
        $monitor("Time = %t, a = %b, b = %b",$time, a, b);
    end
endmodule

在这个例子中，$monitor用于监控寄存器a和b的值。每当a或b的值发生变化时，$monitor都会输出当前的时间、a和b的值。输出结果可能如下：

Time = 0, a = 0001, b = 0010
Time = 10, a = 0010, b = 0010
Time = 20, a = 0010, b = 0100
Time = 30, a = 0101, b = 0100