1 Testbench的结构

1) 单顶层结构

一种结构是testbench 只有一个顶层，顶层再把所有的模块实例化进去。打个比方，类似树结构，只有一个模块有子节点而没有父节点，其它模块都有父节点。如下图结构所示：

测试模块是一些接口模型，接口模型还可能包含了一些激励在内。测试模块和DUV之间通过端口映射进行互连。

2) 多顶层结构

另外一种结构是多顶层结构，如下图所示：

在这种结构中，有一个顶层是作为测试向量模块，一个或多个顶层是一些公用子程序，这些子程序由于完成一些通用的功能被封装成任务、函数等被公用。

还有一个叫harness的顶层，该顶层由DUV和一些接口模型构成一个狭义上的测试平台，其它模块可以调用BFM里面的 task 或 event 等，向DUV施加激励。注意这些顶层之间是没有端口映射的，它们之间的互相调用和访问是通过层次路径名的方式来访问，上图的虚线表示层次路径名的访问。下面举例说明层次路径是如何访问的。

由于大部分人对C都有所认识，在这里作个比较，便于了解。Verilog HDL的顶层类似于C的结构体，而实例化的模块、任务、函数、变量等就是结构体里的成员，可以通过句点（ . ）隔开的方式访问结构体里面的每一个成员。如：顶层 harness 实例化进来的模块 BFM1 里面有一个任务SEND_DATA , 该任务可以产生激励输入到DUV，在 testcase 里调用该任务就可写为：

initial

begin

……

harness . BFM1 . SEND_DATA （ …… ） ；

end

多顶层结构的可扩展和重用性比单顶层结构强得多。层次路径的访问方式非常有用，在下一节会讲述更多的应用。

2 如何编写Testbench

1) 何时使用initial和always

initial和always 是2个基本的过程结构语句，在仿真的一开始即开始相互并行执行。通常被动的检测响应使用always语句，而主动的产生激励使用initial语句。

initial和always的区别是always 语句不断地重复执行，initial语句则只执行一次。但是，如果希望在initial里的多次运行一个语句块，怎么办？这时可以在initial里嵌入循环语句（while，repeat，for，forever 等），如：

initial

begin

forever /* 无条件连续执行*/

begin

……

end

end

其它循环语句请参考一些教材，这里不作赘述。

另外，如果希望在仿真的某一时刻同时启动多个任务，可以使用fork....join语句。例如，在仿真开始的 100 ns 后，希望同时启动发送和接收任务，而不是发送完毕后再进行接收，如下所示：

initial

begin

＃100 ;

fork /*并行执行 */

Send_task ;

Receive_task ;

join

End

2) 如何作多种工作模式的遍历测试

如果设计的工作模式很多，免不了做各种模式的遍历测试，而遍历测试是需要非常大的工作量的。我们经常遇到这样的情况：很多时候，各种模式之间仅仅是部分寄存器配置值的不同，而各模式间的测试都是雷同的。有什么方法可以减轻这种遍历测试的工作量？不妨试试for循环语句，采用循环变量来传递各种模式的配置值，会帮助减少很多测试代码，而且不会漏掉每一种模式.

initial

begin

for ( i = 0 ; i < m ; i = i + 1 ) /*遍历模式1至模式m*/

for ( j = 0 ; j < n ; j = j +1 ) /*遍历子模式1至子模式n */

begin

case ( j ) /* 设置每种模式所需的配置值 */

0 : 配置值 ＝ a ;

1 : 配置值 ＝ b ;

2 : 配置值 ＝ c ;

……

endcase

/*共同的测试向量*/

end

end

3) 如何加速问题定位过程

在这部分里，通过一些实际例子，介绍在出现问题时如何借助 testbench 加快问题的定位过程。

1、监测内存分配

内存分配和回收示意图

在这个例子里，假设总共有2K的内存块，希望在测试程序里监测内存分配和回收的块号是否正确，监测是否存在同一块号重复分配、重复回收的情况。设置一个2K位的变量对内存的使用情况进行记录，每一位对应一个内存块，空闲的块号记为1，被占用的块号记为0。该变量的初始值为全1，当分配一个块号出去时先判断该位是否为空闲，若是空闲则将该位设置为被占用，否则就为重复分配错误。相反，当回收一个块号时，先判断该位是否被占用，若是被占用则将该位设置为空闲，否则就为重复回收错误。程序如下：

always @(posedge Clk or negedge Rst )

begin

if ( Rst == 1'b0 )

Mem_status <= 2048 {1'b1} ;

else

begin

if ( 层次路径 . rd ) /* 监测内存分配，block_rd 是分配的内存块号*/

if ( Mem_status [ block_rd ] == 1'b1 )

Mem_status [ block_rd ] <= 1'b0 ;

else

begin

$display ( "Error! 重复分配同一内存块！ ") ;

$stop ;

end

if ( 层次路径 . wr ) /* 监测内存回收，block_wr 是回收的内存块号*/

if ( Mem_status [ block_wr ] == 1'b0 )

Mem_status [ block_wr ] <= 1'b1 ;

else

begin

$display ( "Error! 重复回收同一内存块！ ") ;

$stop ;

end

end

End

2、监测内部接口

如果你是位验证工程师，在做芯片级的仿真时，相信你会或曾遇到过这样的问题：在一个端口输入了激励数据，但另一端口却得不到正确的响应，而且这条路径涉及到很多模块和很多个不同设计者，为了定位问题，你可能很盲目地逐个找来设计人员，逐个模块地记录仿真波形，到解决问题时，可能几天已经过去了。

我们都知道，如果问题定位在越小的范围，就越便于解决问题。所以，我们可以把模块接口间交换的数据记录到文件里，当出现问题时，就可以查看各接口的记录数据，看问题到底出现在哪个区间，简单地查看记录文件后，你就明确该找那位designer来解决问题。

3、记录有用的DEBUG信息

记录有用的debug信息，输出到标准的I/O设备上（屏幕或文件），会给你的debug带来很大的便利，由上面的例子也可见一斑，在检测到有错误时也可使用$stop令仿真停下来。

值得注意的是，UNIX系统只有32个I/O，每个输出文件占用1个I/O设备号，其中第1个是屏幕显示，设备号是32'b1，其它I/O设备号由输出文件占用，一个信息可同时输出到屏幕和文件，如：

initial

begin

Ptr_log = $fopen ("log.txt ") ; /* 创建一个文件，获得文件指针 */

Ptr_log = Ptr_log | 32'b1 ; /* 指针同时指向 log.txt 文件和屏幕 */

end

always @（……）

begin

$fwrite ( Ptr_log, "useul message ",……) ; /*信息除了记录到文件同时，还显示到屏幕*/

……

end

虽然记录文件会给debug带来很多便利，但文件操作会降低仿真的速度，因此应当适可而止。

另外写文件通常有2种方式，不同的仿真工具有所差异。一种是每写一个字节打开关闭一次文件，如Verilog-XL。另一种是先把字符暂存到内存，等累积到一定数量（如8K字节）后再通过DMA方式把字符从内存写到文件，如Verilog-NC。因此，后一种方式就大大地降低了文件的操作次数，有利于提高仿真速度。