Modelsim的功能仿真和時(shí)序仿真
ModelSim 是Mentor Graphics 子公司MentorTechnology 的產(chǎn)品，是當(dāng)今最通用的FPGA 仿真器之一。ModelSim 功能強(qiáng)大，它支持FPGA 設(shè)計(jì)的各個(gè)階段的仿真，不僅支持VHDL 仿真，Verilog仿真，而且支持VHDL 和Verilog 混合仿真。它不僅能做仿真，還能夠?qū)Τ绦蜻M(jìn)行調(diào)試，測試代碼覆蓋率，對波形進(jìn)行比較等。ModelSim 有很多版本，像ModelSim/SE 是首要版本， 除此之外還有ModelSim/XE 和ModelSim/AE，分別是為Xilinx公司和Altera 公司提供的OEM 版，其中已包含各公司的庫文件，故用特定公司OEM 版進(jìn)行仿真時(shí)就不需編譯該公司的庫了。
用ModelSim 進(jìn)行功能仿真
進(jìn)行功能仿真首先要檢查設(shè)計(jì)的語法是否正確；其次檢查代碼是否達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。下文主要介紹仿真步驟和測試激勵(lì)的加載。
仿真步驟
（1）建立庫并映射庫到物理目錄
因?yàn)橛肕odelSim 進(jìn)行仿真是建立在仿真庫的基礎(chǔ)上的（此處進(jìn)行的是功能仿真，因而不用編譯特定廠商的庫），所以首先要建立庫并把庫映射到實(shí)際的物理路徑。通常用戶編譯的文件都放在work庫中，所以必須先建立work 庫。有兩種方法建立并映射庫，第一種方法是通過圖形界面，在菜單Design→Create a New Library 彈出對話框，如圖1 所示。在Library Name 中輸入work，如果建立其它庫，可以輸入其它名字。Library Map to 是映射的物理路徑。第二種方法是用命令行的形式，建立庫用ModelSim>vlib<庫名>，映射庫用ModelSim> vmap ， 如建立并映射庫work，就可以在ModelSim 主窗口命令提示符下輸入
vlib work
vmap work work
（2）編譯源代碼
該步驟主要檢查源文件的語法錯(cuò)誤。實(shí)現(xiàn)方法有兩種，一是通過菜單Design→Compile，出現(xiàn)選擇源文件對話框，選擇要編譯的源文件，編譯即可；二是通過命令行方式，這一步對于VHDL 和Verilog 所使用的命令是不一樣的，對于VHDL 代碼用vcom-work.vhd.vhd ， 對于Verilog 代碼用vlog-work.v.v，文件按出現(xiàn)的先后順序編譯，且支持增量編譯。編譯后的文件會放在缺省當(dāng)前work 庫中。
（3）啟動仿真器
該步驟主要是把所有仿真的文件加載到當(dāng)前的仿真環(huán)境中。實(shí)現(xiàn)的方法兩種，一是通過菜單Design→Load Design，出現(xiàn)加載對話框，選擇要仿真的程序即可；二是通過命令行的形式vsim-lib ， 這條命令對于VHDL 和Verilog 都一樣。
（4）執(zhí)行仿真
該步驟是正式執(zhí)行仿真了，在仿真前最重要的一個(gè)步驟就是加載激勵(lì)，如要對下面的加法器進(jìn)行仿真，加法器實(shí)體說明如下：
entityAdd is
port(D1: in std_logic_vector(7 downto 0)；--輸入
D2: in std_logic_vector(7 downto 0)；--輸入
D0: out std_logic_vector(7 downto 0)；--輸出
CE: in std_logic；-使能，低有效
Clk: in std_logic)；--時(shí)鐘
endAdd;
測試激勵(lì)的加載
激勵(lì)的加載有四種方法：
（1）命令行方式
這種方法是通過在命令行下直接輸入命令給信號加載激勵(lì)，然后進(jìn)行仿真。如要對上面的加法器進(jìn)行仿真，則輸入如下命令：
Vsim –t ps work.add
//加載work 庫中的實(shí)體add，時(shí)間分辨率為ps
Add wave –hex D1
Add wave –hex D2
Add wave –hex D0
Add wave ce
Add wave clk
//把信號加載到波形窗口，hex 表示以16進(jìn)制顯示
Force ce 0 //對ce 加激勵(lì)為0
Force clk 0 0，1 25 –r 50 //對clk 加載激勵(lì)
Force D1 16#2 //對D1 加載16 進(jìn)制數(shù)2
Force D2 16#1 //對D2 加載16 進(jìn)制數(shù)1
Run 100 //運(yùn)行100 個(gè)時(shí)間單位
如果要仿真其它數(shù)據(jù)，在命令行中改變激勵(lì)
就可以了，仿真的結(jié)果如圖2 所示。
（2）宏文件法
這種方法相當(dāng)于DOS 的批處理。它把所有的命令保存為以do 為后綴名的文件中，稱為宏文件。執(zhí)行仿真時(shí)只要選擇菜單Marco → ExecuteMarco，然后選擇相應(yīng)的宏文件執(zhí)行即可，或者在命令行中輸入do<宏文件名>。執(zhí)行仿真的結(jié)果如圖2 所示。
（3）測試文件法
上述兩種方法只適合驗(yàn)證數(shù)據(jù)量小的程序，對程序進(jìn)行簡單驗(yàn)證，如果要驗(yàn)證的數(shù)據(jù)量較大，
上述兩種方法就比較麻煩，現(xiàn)在被廣泛采用的是測試文件法。這種方法其實(shí)是要設(shè)計(jì)者自己編寫測試文件，把要驗(yàn)證的程序當(dāng)成測試程序的一個(gè)模塊，在測試文件中對要驗(yàn)證的程序加載激勵(lì)。以下就是針對上面加發(fā)器的測試文件：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all
use ieee.std_logic_signed.all
entity tb is
end tb
architecture a_tb of tb is
component Add
port(D1 : in std_logic_vector(7 downto 0);
D2 : in std_logic_vector(7 downto 0);
D0 : out std_logic_vector(7 downto 0);
CE : in std_logic;
Clk: in std_logic);
end component;
signal D1 : std_logic_vector(7 downto 0) :=(other => ‘1’);
signal D2 : std_logic_vector(7 downto 0) :=(other => ‘1’);
signal D0 : std_logic_vector(7 downto 0) :=(other => ‘0’);
signal CE : std_logic := ’0’;
signal Clk : std_logic
begin
dut : Add
port map(D1 => D1，
D2 => D2，
D0 => D0，
CE => CE，
Clk => Clk);
Clk <= not Clk after 25 ns;
process
begin
wait until Clk = ‘1’ and Clk’event;
D1 <= D1+1;
D2 <= D2+2;
end process;
end a_tb;
用這個(gè)測試文件產(chǎn)生的仿真波形如圖3 所示：
這種方法可以仿真大量的數(shù)據(jù)，對程序進(jìn)行比較全面的仿真。
（4）textio 法
方法（3）產(chǎn)生的激勵(lì)數(shù)據(jù)一般很有規(guī)律，也容易分析，但同時(shí)也可能造成某些情況無法檢測到。所以做仿真時(shí)若希望驗(yàn)證一些沒有規(guī)律的數(shù)據(jù)，則可以用 textio 方法實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上它的輸入激勵(lì)是存儲在dat 文件中的，在測試文件中讀入這些數(shù)據(jù)，如果用VHDL 編寫程序，需要textio 庫和VHDL93 標(biāo)準(zhǔn)的支持，限于篇幅這里就不詳細(xì)介紹，詳情請參見有關(guān)文獻(xiàn)。
用ModelSim 進(jìn)行時(shí)序仿真
時(shí)序仿真是FPGA 設(shè)計(jì)的重要步驟之一，它通常是在做完布局布線后進(jìn)行，仿真中包含布局布線產(chǎn)生的延時(shí)信息。時(shí)序仿真的方法和步驟和功能仿真基本相同，但有兩點(diǎn)需要注意：一是一般布局布線后生成的網(wǎng)表并不包含timing 數(shù)據(jù)，會用一個(gè)SDF（Standard Delay Format）文件來存儲timing數(shù)據(jù)，它通常是由布局布線工具產(chǎn)生，在做時(shí)序仿真時(shí)要用到。上面啟動仿真器加載時(shí)不僅要加載布局布線后生成的源文件，還要加載SDF 文件。二是在用ModelSim SE 版本時(shí)，由于不包含特定廠商的庫文件，而在做時(shí)序仿真時(shí)恰恰與特定的器件相關(guān)，要用到這些庫，為了提高仿真速度，通常需要提前編譯這些庫，而且不同廠商編譯庫的方法不盡相同，本文以編譯Xilnx 公司的庫為例，介紹編譯庫的方法。
這種方法是通過在Xilinx 的網(wǎng)站上下載的xilinx_lib_4.tcl 腳本進(jìn)行的，選擇菜單中的執(zhí)行宏或者在命令行中輸入source xilinx_lib_4.tcl，會彈出圖4 所示的對話框，在選擇所要編譯的語言后，Xilinx Software Version、編譯的庫、Xilinx 路徑和Modelsim 路徑后就可以進(jìn)行庫的編譯了。其中較重要的是simprim（做時(shí)序仿真時(shí)用）和Xilinxcorelib（在進(jìn)行Xilinx core 的電路仿真時(shí)用），這些庫還有對應(yīng)的Verilog 版本。在進(jìn)行庫編譯之前，最好把ModelSim 安裝目錄下的modelsim.ini 文件的只讀屬性去掉，這樣可以把編譯后的庫信息加到該文件中，具體信息如下：
simprim = C:/Modeltech_5.5b/simprim
simprims_ver = C:/Modeltech_5.5b/simprims_ver
xilinxcorelib = C:/ Modeltech_5.5b/xilinxcorelib
xilinxcorelib_ver = C:/
Modeltech_5.5b/xilinxcorelib_ver
結(jié)束語
通過對FPGA 設(shè)計(jì)中功能仿真和時(shí)序仿真的詳細(xì)介紹，有助于熟練應(yīng)用ModelSim 進(jìn)行一系列仿真，同時(shí)也拋磚引玉地引導(dǎo)讀者在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用ModelSim 的調(diào)試程序、比較波形等其他功能。
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