Simulation for ALU

ALUのシミュレーションの方法

では、ALUが設計通りの動作するかシミュレーションにより確認しましょう。シミュレーションの方法はこちらを参照することにして、シミュレーションをする際に最も重要なテストベクタを作る方法について見て行きます。

例として、加算が正しく動作するか調べることにします。加算演算は単に被加算数と加算数が加算された結果を調べるだけでなく、キャリーやオーバーフローなどのフラグも同時に正しい動作をしているか調べる必要があります。キャリーひとつでも動作が間違っている場合には、この ALU を使用したマイクロプロセッサはまともに動作しなくなります。したがって、ALU 単体で確実に動作するようシミュレーションで動作チェックをしておかなければなりません。

では、加算ではどういうチェックをすれば良いのでしょう。加算では、被加算数、加算数、および結果が取りうる符号の組合せから、8通りのパターンが考えられます。以下にそのパターンを表に示します。

被加算数加算数結果キャリーフラグオーバーフローフラグ零フラグ符号フラグ

０００１０００１０００２００００

０００１ＦＦＦＦ００００１０１０

ＦＦＦＦ０００１００００１０１０

８０００８０００００００１１１０

７ＦＦＦ０００１８００００１０１

０００１ＦＦＦＥＦＦＦＦ０００１

ＦＦＦＥ０００１ＦＦＦＦ０００１

ＦＦＦＦＦＦＦＦＦＦＦＥ１００１

被加算数	加算数	結果	キャリーフラグ	オーバーフローフラグ	零フラグ	符号フラグ
０００１	０００１	０００２	０	０	０	０
０００１	ＦＦＦＦ	００００	１	０	１	０
ＦＦＦＦ	０００１	００００	１	０	１	０
８０００	８０００	００００	１	１	１	０
７ＦＦＦ	０００１	８０００	０	１	０	１
０００１	ＦＦＦＥ	ＦＦＦＦ	０	０	０	１
ＦＦＦＥ	０００１	ＦＦＦＦ	０	０	０	１
ＦＦＦＦ	ＦＦＦＦ	ＦＦＦＥ	１	０	０	１

このようなテストパターン(通常テストベクタと言う)を作成しシミュレータ上で入力値に対する出力値をシミュレーションし正しい結果が得られているかどうか調べます。

さて、テストベクタですが、前回演習で行ったように、Verilog というハードウェア記述言語で記述する必要があります。しかしながら、テストベクタの入力を簡単にするために、以下のような記述を行った後、Verilog 記述形式に自動変換することにしましょう。

まず、上の表に上げたテストパターンを以下のように入力しセーブします。ここではファイル名を "alu_vector.txt" としましょう。

# input 
A[15:0]
B[15:0]
CB[3:0]

# testvector
#   A[15:0]  B[15:0]  CB[3:0] 

100 16'h0001 16'h0001 4'b0000		# add
100 16'h0001 16'hFFFF 4'b0000
100 16'hFFFF 16'h0001 4'b0000
100 16'h8000 16'h8000 4'b0000
100 16'h7FFF 16'h0001 4'b0000
100 16'h0001 16'hFFFE 4'b0000
100 16'hFFFE 16'h0001 4'b0000
100 16'hFFFF 16'hFFFF 4'b0000

"# input" の次の行から入力に必要な信号を記述します。ここでは例として A[15:0], B[15:0], CB[3:0] としていますが、皆さんの設計データに合わせてください。文字の大文字小文字も識別しますので、間違えないように。バス線を表す"[]"は、回路図上では"<>"ですが、"[]"で記述してください。

"# testvector" 以降にテスト用の入力パターンを並べて行きます。最初の "100" は信号の変化時間であり、100ns 毎に信号が変化することを示します。その、次から入力信号の値を並べますが、信号の順番は "# input"で並べた順番になることに注意してください。パターンの与え方は、以下のようにします。

16'h0001 は、16ビットのバスに対して16進数で "0001" を与えることを意味します。
4'b0000 は、4ビットのバスに対して2進数で "0000" を与えることを意味します。

記述が終りましたらセーブした後、シェルから以下のコマンドを入力してください。

% make_vector alu_vector.txt > alu_vector.v

これにより、以下のような Verilog 記述のテストベクタ "alu_vector.v" を得ることができます。

initial
begin
    A[15:0]= #100 16'h0001;	// add
    A[15:0]= #100 16'h0001;
    A[15:0]= #100 16'hFFFF;
    A[15:0]= #100 16'h8000;
    A[15:0]= #100 16'h7FFF;
    A[15:0]= #100 16'h0001;
    A[15:0]= #100 16'hFFFE;
    A[15:0]= #100 16'hFFFF;
end

initial
begin
    B[15:0]= #100 16'h0001;	// add
    B[15:0]= #100 16'hFFFF;
    B[15:0]= #100 16'h0001;
    B[15:0]= #100 16'h8000;
    B[15:0]= #100 16'h0001;
    B[15:0]= #100 16'hFFFE;
    B[15:0]= #100 16'h0001;
    B[15:0]= #100 16'hFFFF;
end

initial
begin
    CB[3:0]= #100 4'b0000;	// add
    CB[3:0]= #100 4'b0000;
    CB[3:0]= #100 4'b0000;
    CB[3:0]= #100 4'b0000;
    CB[3:0]= #100 4'b0000;
    CB[3:0]= #100 4'b0000;
    CB[3:0]= #100 4'b0000;
    CB[3:0]= #100 4'b0000;
end

このファイルを、シミュレーション時の "testfixture.test" ファイルとして使用します。

このベクタを使用したシミュレーション結果は以下のようになります。

加算以外の命令も正しく動作するかどうか、テストベクタを各自作成し確認してください。

ALUは完成しましたか？

ALUの演習はこれで終了です。お疲れさまでした。レポートの課題を説明します。 >

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