VHDL与Verilog硬件描述语言TestBench的编写
VHDL与Verilog硬件描述语言在数字电路的设计中使用的非常普遍，无论是哪种语言，仿真都是必不可少的。而且随着设计复杂度的提高，仿真工具的重要性就越来越凸显出来。在一些小的设计中，用TestBench来进行仿真是一个很不错的选择。VHDL与Verilog语言的语法规则不同，它们的TestBench的具体写法也不同，但是应包含的基本结构大体相似，在VHDL的仿真文件中应包含以下几点：实体和结构体声明、信号声明、顶层设计实例化、提供激励；Verilog的仿真文件应包括：模块声明、信号声明、顶层设计实例化、提供激励。大致思想都是相似的。
简单的说，TestBench就是一种验证手段，从软件层面对设计的硬件电路进行仿真。具体来讲，一般是在你的仿真文件里，产生激励信号，作用于被仿真的设计文件DUT（Design Under Test），产生相应的输出，然后根据输出信号检验设计的电路是否存在问题或者存在哪些问题。
下面以FPGA板中驱动流水灯的一段程序为例，简单介绍一下两种语言的TestBench的编写。
1 module led_run(clk,rst,led); 2 input clk,rst; 3 output reg [7:0] led; 4 reg [25:0] clk_cnt; 5 reg clk_tmp; 6 reg [3:0] temp; 7 8 always@(posedge clk or negedge rst) 9 begin 10 if(!rst) 11 begin 12 clk_cnt<=26'd0; 13 clk_tmp<=1'b1; 14 end 15 else 16 begin 17 if(clk_cnt==26'b11111111111111111111111111) 18 begin 19 clk_cnt<=26'd0; 20 clk_tmp<=~clk_tmp; 21 end 22 else 23 clk_cnt<=clk_cnt+1'b1; 24 end 25 end 26 27 always@(posedge clk_tmp or negedge rst) 28 begin 29 if(!rst) 30 temp<=4'd15; 31 else 32 temp<=temp+1'b1; 33 end 34 35 always@(temp) 36 begin 37 case(temp) 38 4'd0 :led<=8'b11111110; 39 4'd1 :led<=8'b11111100; 40 4'd2 :led<=8'b11111000; 41 4'd3 :led<=8'b11110000; 42 4'd4 :led<=8'b11100000; 43 4'd5 :led<=8'b11000000; 44 4'd6 :led<=8'b10000000; 45 4'd7 :led<=8'b00000000; 46 4'd8 :led<=8'b00000001; 47 4'd9 :led<=8'b00000011; 48 4'd10:led<=8'b00000111; 49 4'd11:led<=8'b00001111; 50 4'd12:led<=8'b00011111; 51 4'd13:led<=8'b00111111; 52 4'd14:led<=8'b01111111; 53 4'd15:led<=8'b11111111; 54 default:; 55 endcase 56 end 57 58 endmodule
上面是一段流水灯的代码，控制8位流水灯依次点亮，再依次熄灭。第一个always语句完成分频功能，第二个always语句用于计数，共16个值，第三个always语句根据计数的值选择LED灯的状态。其中clk、rst分别为时钟和复位信号，led为驱动流水灯的输出信号。接下来针对这一设计编写其TestBench文件。
1 /************TestBench*************/ 2 module tb_led_run; 3 reg clk,rst; 4 wire led; 5 6 initial 7 begin 8 rst=1; 9 #30 rst=0; 10 #40 rst=1; 11 end 12 13 initial 14 begin 15 clk=1; 16 forever #20 clk=~clk; 17 end 18 19 led_run led1(.clk(clk),.rst(rst),.led(led)); 20 endmodule
由于只需要时钟和复位信号即可，故在其仿真文件并不复杂，建立测试模块，进行信号声明，在两个initial中分别提供clk和rst信号，最后进行例化。当然注意一点，在仿真时要把分频模块去掉，或者将分频系数改小，否则仿真时不容易观察波形。下面是在Modelsim中仿真得到的波形（分频模块改为2分频）。
总结起来，Verilog的TestBench有着相对固定的写法：
module test_bench; 端口声明语句 initial begin 产生时钟信号 end initial begin 提供激励源 end 例化语句 endmodule
最主要的是在initial语句中进行激励的生成，这要根据具体的设计来分析。
下面对比介绍VHDL语言TestBench的写法。同样的功能，驱动流水灯，VHDL的程序如下：
1 LIBRARY IEEE; 2 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; 3 USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; 4 5 ENTITY led_run IS 6 PORT(clk:in std_logic; 7 rst:in std_logic; 8 led:out std_logic_vector(7 downto 0):="11111111" ); 9 END led_run; 10 11 ARCHITECTURE arc_led_run OF led_run IS 12 signal temp:std_logic_vector(3 downto 0); 13 signal clk_cnt:std_logic_vector(25 downto 0); 14 signal clk_tmp:std_logic:='1'; 15 BEGIN 16 divider:PROCESS(clk,rst) 17 BEGIN 18 if(rst='0') then 19 clk_cnt<="00000000000000000000000000"; 20 elsif(clk'event and clk='1') then 21 clk_cnt<=clk_cnt+1; 22 if(clk_cnt="11111111111111111111111111") then 23 clk_cnt<="00000000000000000000000000"; 24 clk_tmp<=NOT clk_tmp; 25 end if; 26 end if; 27 END PROCESS; 28 29 PROCESS(clk_tmp,rst) 30 BEGIN 31 if(rst='0') then 32 temp<="1111"; --all the led off 33 elsif(clk_tmp'event and clk_tmp='1') then 34 temp<=temp+1; 35 end if; 36 END PROCESS; 37 38 PROCESS(temp) 39 BEGIN 40 case temp is 41 when"0000"=>led<="11111110"; 42 when"0001"=>led<="11111100"; 43 when"0010"=>led<="11111000"; 44 when"0011"=>led<="11110000"; 45 when"0100"=>led<="11100000"; 46 when"0101"=>led<="11000000"; 47 when"0110"=>led<="10000000"; 48 when"0111"=>led<="00000000"; 49 when"1000"=>led<="00000001"; 50 when"1001"=>led<="00000011"; 51 when"1010"=>led<="00000111"; 52 when"1011"=>led<="00001111"; 53 when"1100"=>led<="00011111"; 54 when"1101"=>led<="00111111"; 55 when"1110"=>led<="01111111"; 56 when"1111"=>led<="11111111"; 57 when others=>NULL; 58 end case; 59 END PROCESS; 60 61 END arc_led_run;
根据语法要求，首先声明库，接着定义实体和结构体。在结构体中用三个进程(PROCESS)分别实现分频、计数、流水灯状态分配的功能，功能相当于上面Verilog程序中的三个always语句。接下来写TestBench文件：
1 ---------------TestBench----------------- 2 LIBRARY IEEE; 3 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; 4 5 6 ENTITY tb_led_run IS --空实体 7 END tb_led_run; 8 9 10 ARCHITECTURE arc_tb_led_run OF tb_led_run IS --结构体 11 12 COMPONENT led_run IS --元件声明 13 PORT(clk:in std_logic; 14 rst:in std_logic; 15 led:out std_logic_vector(7 downto 0)); 16 END COMPONENT; 17 18 signal clk,rst:std_logic; 19 signal led:std_logic_vector(7 downto 0); 20 constant clk_period:time:=5 ns; 21 22 BEGIN 23 24 DUT:led_run PORT MAP(clk=>clk,rst=>rst,led=>led); --元件例化 25 26 clk_gen:PROCESS 27 BEGIN 28 clk<='1'; 29 wait for clk_period/2; 30 clk<='0'; 31 wait for clk_period/2; 32 END PROCESS; 33 34 tb:PROCESS 35 BEGIN 36 rst<='0'; 37 wait for 12 ns; 38 rst<='1'; 39 wait; 40 END PROCESS; 41 42 END arc_tb_led_run;
在这个TestBench中同样只需要提供clk和rst信号，分别在两个进程实现，Modelsim中的仿真结果如下(同样在仿真的时候将分频系数改为2)：
总结一下，VHDL的TestBench写法也有相对固定的格式：
library ieee; --库声明 use ieee.std_logic_1164.all; entity test_bench is --测试平台文件的空实体（不需要端口定义) end test_bench; architecture tb_behavior of test_bench is --结构体 component entity_under_test --被测试元件的声明 port( list-of-ports-theri-types-and-modes ); end component; begin instantiation:entity_under_test port map --元件例化 ( port-associations ); process() --产生时钟信号 …… end process; process() --产生激励源 …… end process; end tb_behavior;
相对与Verilog语言来说，VHDL的TestBench除了自身的库声明以及Entity和Architecture之外，还需要进行元件的声明，即将被测试的设计声明为一个元件，然后对其例化。在激励的产生方面与Verilog思路相同。
从上面的程序可以看出，Verilog语言相对比较随意一些，从C语言编程中继承了多种操作符和结构；而VHDL的语法则比较严谨，有固定的格式。但在功能的实现上二者大同小异。比如Verilog中的always语句，在VHDL中可以找到PROCESS与之对应，当然更多的是不同。两种语言均可在不同的抽象层次对电路进行描述：系统级、算法级、寄存器传输级、逻辑门级和开关电路级，但是VHDL更擅长系统级，而Verilog更方便底层描述。在学习硬件描述语言的时候不妨对比学习一下，相信会对电路设计的理解更加深一层。
