Z80-open-silicon仿真模型：Verilator与cocotb联合测试-优快云博客

Z80-open-silicon仿真模型：Verilator与cocotb联合测试

【免费下载链接】z80-open-silicon Z80 open-source silicon clone. Goal is to become a silicon proven, pin compatible, open-source replacement for classic Z80. 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/z8/z80-open-silicon

你是否还在为开源处理器的验证流程繁琐而困扰？本文将以Z80-open-silicon项目为例，详细介绍如何使用Verilator与cocotb构建高效的仿真测试环境。读完本文，你将掌握从环境搭建到自动化测试的完整流程，轻松验证Z80处理器核心功能。

测试环境架构概览

Z80-open-silicon项目采用分层测试架构，结合Verilator的高性能仿真能力与cocotb的Python测试灵活性，构建了完整的验证生态。测试系统主要包含三个核心组件：

RTL源代码：位于src/tt_um_rejunity_z80.v的顶层模块及src/tv80/目录下的Z80处理器核心实现
测试平台：test/tb.v提供的Verilog测试基准，负责信号连接与DUT实例化
测试脚本：基于cocotb框架的test/test.py，实现测试场景控制与结果检查

测试流程采用Makefile自动化管理，通过test/Makefile定义的规则链，实现从RTL编译、仿真执行到结果分析的全流程自动化。

环境搭建步骤

1. 工具链安装

确保系统已安装以下工具：

Verilator（版本≥4.216）：高性能Verilog仿真器
cocotb（版本≥1.7.2）：Python硬件验证框架
gtkwave：波形查看工具

2. 测试环境配置

修改测试目录下的关键文件以适配Z80项目：

更新Makefile：编辑test/Makefile，设置PROJECT_SOURCES指向Z80核心源码：

PROJECT_SOURCES = ../src/tt_um_rejunity_z80.v ../src/tv80/tv80_core.v ../src/tv80/tv80_alu.v

配置测试基准：修改test/tb.v，将DUT实例名设置为项目顶层模块名：
```
tt_um_rejunity_z80 uut (/*端口连接*/);
```
安装Python依赖：通过test/requirements.txt安装必要的Python库：
```
pip install -r test/requirements.txt
```

核心测试场景实现

测试系统实现了两类基础测试场景，覆盖Z80处理器的核心功能验证需求。

NOP指令执行测试

NOP（无操作）指令是处理器验证的基础用例，用于检查指令流水线与时序控制。在test/test.py中，test__NOP函数实现了该场景：

@cocotb.test()
async def test__NOP(dut):
    await start_and_reset(dut)
    dut._log.info("Test NOP")
    
    dut.ui_in.value = BUS_READY  # 设置总线就绪信号
    dut.uio_in.value = OPCODE_NOP  # 加载NOP指令码(0x00)
    
    z80_cycle = 0
    for i in range(32):
        controls, addr = await z80_step(dut, z80_cycle, verbose=True)
        
        # 验证M1周期信号
        if z80_cycle % 4 == 0 or z80_cycle % 4 == 1:
            assert controls['m1'] == 1
        # 验证读信号时序
        if z80_cycle % 4 == 1:
            assert controls['mreq'] == 1 and controls['rd'] == 1
        # 检查地址递增
        if z80_cycle < 3:
            assert addr == z80_cycle // 4
        
        z80_cycle += 1

该测试通过连续执行32个时钟周期，验证NOP指令的4个时钟周期执行特性，确保程序计数器正确递增。

LD HL, nn指令测试

LD HL, nn指令（立即数加载到HL寄存器对）涉及多字节指令 fetch 过程，是验证复杂指令执行的典型场景。test/test.py中的test__LD_HL2121函数实现了该测试：

@cocotb.test()
async def test__LD_HL2121(dut):
    await start_and_reset(dut)
    dut._log.info("Test LD HL, $2121")
    
    dut.ui_in.value = BUS_READY
    dut.uio_in.value = 0x21  # LD HL, nn指令码
    
    z80_cycle = 0
    for i in range(32):
        controls, addr = await z80_step(dut, z80_cycle, verbose=True)
        
        # 验证多周期读信号
        if z80_cycle % 10 in [1,5,8]:
            assert controls['mreq'] == 1 and controls['rd'] == 1
        
        z80_cycle += 1

该测试验证了10个时钟周期的指令执行过程，包括 opcode 读取、低字节数据读取和高字节数据读取三个阶段。

仿真执行与结果分析

执行仿真测试

在测试目录下执行以下命令启动仿真：

cd test && make -B

Makefile将自动完成：

使用Verilator编译RTL代码生成C++模型
构建cocotb测试环境并执行测试用例
生成波形文件test/tb.vcd

波形分析

使用gtkwave查看仿真波形，验证信号时序：

gtkwave test/tb.vcd test/tb.gtkw

波形文件包含完整的信号记录，包括：

控制信号：M1、MREQ、RD等总线控制信号
地址总线：16位地址输出
数据总线：8位数据输入/输出
状态信号：HALT、BUSAK等处理器状态

自动化测试扩展

Z80-open-silicon项目的测试框架支持灵活扩展，可通过以下方式增强测试覆盖率：

添加新测试用例：在test/test.py中添加新的cocotb测试函数，如：
```
@cocotb.test()
async def test__ADD_A_n(dut):
    # 实现ADD A, n指令测试
```
扩展测试向量：创建测试向量文件，通过文件IO加载复杂测试序列
性能分析：利用cocotb的统计功能，分析指令执行周期数与吞吐量
覆盖率收集：集成Verilator的覆盖率分析工具，生成代码覆盖率报告

总结与展望

本文详细介绍了Z80-open-silicon项目的仿真测试框架，通过Verilator与cocotb的联合使用，实现了高效、灵活的处理器验证流程。关键收获包括：

掌握分层测试架构设计，隔离测试环境与RTL实现
学会使用cocotb构建Python测试脚本，实现复杂测试场景
理解Z80处理器指令执行时序，为硬件调试提供依据

未来测试框架可进一步扩展，增加中断处理、外设交互等复杂场景测试，为Z80-open-silicon项目的硅验证奠定坚实基础。

如果你觉得本文对你有帮助，请点赞、收藏并关注项目进展。下期我们将介绍如何使用该测试框架进行FPGA原型验证，敬请期待！

创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考