第4章 基于ModelSim的仿真.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 基于,ModelSim,的仿真,4.1,ModelSim,的仿真方法,4.2,Quartus,II,和,ModelSim,联合仿真,4.1,ModelSim,的使用方法,4.1.1,ModelSim,软件简介,ModelSim,是业界最优秀的,HDL,语言仿真器。它提供最友好的调试环境，是业界唯一单一内核支持,VHDL,、,Verilog,HDL,和,SystemC,混合仿真的仿真器，同时也支持业界最广泛的标准如,Verilog,2001,、,SystemVerilog,等，内部集成了用于,C/C+,，,PLI/FLI,和,SystemC,的集成,C,调试器。支持众多的,ASIC,和,FPGA,厂家库，可以用于,FPGA,和,ASIC,设计的,RTL,级和门级电路仿真。是作,FPGA/ASIC,设计的,RTL,级和门级电路仿真的首选全面支持,UNIX(,包括,64,位,),、,Linux,和,Windows,平台。,ModelSim,分几种不同的版本：,SE,、,PE,和,OEM,，其中集成在,Actel,、,Atmel,、,Altera,、,Xilinx,以及,Lattice,等,FPGA,厂商设计工具中的均是其,OEM,版本。比如为,Altera,提供的,OEM,版本是,ModelSim-Altera,为,Xilinx,提供的版本为,ModelSim,XE.SE,版本为最高级版本,在功能和性能方面比,OEM,版本强很多,比如仿真速度方面,还支持,PC,、,UNIX,、,LIUNX,混合平台。,3,为什么要学,Modelsim,?,1.,2.,Modelsim,的安装,同许多其他软件一样，,Modelsim,SE,同样需要合法的,License,通常我们用,Kengen,产生,license.dat,。,解压安装工具包开始安装，安装时选择,Full product,安装。当出现,Install Hardware Security Key Driver,时选择否。当出现,Add,Modelsim,To Path,选择是。出现,Modelsim,License Wizard,时选择,Close,。,在,C,盘根目录新建一个文件夹,flexlm,，用,Keygen,产生一个,license.dat,然后复制到该文件夹下。,修改系统的环境变量。右键点击桌面我的电脑图标，属性,-,高级,-,环境变量,-,（系统变量）新建。按下图所示内容填写，变量值内如果已经有别的路径了，请用,“,；,”,将其与要填的路径分开。,LM_LICENSE_FILE=,c:flexlm,license.dat,5,仿真,仿真分为功能仿真,门级仿真,时序仿真,功能仿真,(,前仿真,代码仿真,),主旨在于验证电路的功能是否符合设计要求，其特点是不考虑电路门延迟与线延迟，主要是验证电路与理想情况是否一致。可综合,FPGA,代码是用,RTL,级代码语言描述的，其输入为,RTL,级代码与,Testbench,.,在设计的最初阶段发现问题,可节省大量的精力,门级仿真和时序列仿真,(,后仿真,),使用综合软件综合后生成的门级网表进行仿真,不加入时延文件的仿真就是门级仿真,.,可以检验综合后的功能是否满足功能要求,其速度比功能仿真要慢,比时序仿真要快,.,在门级仿真的基础上加入时延文件,(.,sdf,),的仿真就是时序仿真,比较真实地反映了逻辑的时延与功能,.,综合考虑电路的路径延迟与门延迟的影响，验证电路能否在一定时序条件下满足设计构想的过程，是否存在时序违,6,4.1.2,基本仿真步骤,建立工作库,/,建立资源库,编译源代码,启动仿真器,执行仿真,4.1.3,各个界面介绍,ModelSim,仿真软件在默认条件下提供了主窗口、结构窗口、源程序窗口、信号窗口、进程窗口、变量窗口、数据流窗口、波形窗口、存储器窗口、列表窗口等,11,种不同的用户窗口。,主窗口,主窗口在,ModelSim,启动时直接打开的，是所有其他窗口运行的基础。通常情况下主窗口分为工作区和脚本区（也叫命令控制台）两个部分，通过工作区可以很方便地对当前的工程的工作库以及所有打开的数据集合等进行控制，通过命令控制台可以在,ModelSim,的提示符下输入所有,ModelSim,命令，并且可将命令执行结果反馈回来，便于实时掌握运行情况。主窗口的典型形式如所示。,工作区,脚本区,命令输入,数据流窗口,数据流窗口（,Dataflow,）是一般仿真软件都提供的一个通用窗口，通过该窗口可以跟踪设计中的物理连接，跟踪设计中事件的传播，也可以用来跟踪寄存器、网线和进程，极大地丰富了调试方法。数据流窗口中可以显示进程（可以是,Verilog,的一个模块）、信号、网线和寄存器等，也可以显示设计中的内部连接。窗口中有一个内置的符号表，映射了所有的,Verilog,基本门，例如与门、非门等，这些符号可以在数据流窗口中显示。其他的,Verilog,基本组件可以使用模块或者用户定义的符号在数据流窗口中显示。,数据流窗口中的符号都使用了类似,#ASSIGN#23#2,、,#ALWAY#56,或,module_name,等信息进行说明，其中第一个,#,说明了这个符号的语句，第二个,#,后面紧跟了产生这个符号的语句所在的源文件中的行号，第三个,#,说明了这个语句在源文件中属于当前行的第几个语句。,列表窗口,列表窗口使用表格的形式显示仿真的结果。窗口被分为两个可调整的部分，右边为信号列表，左边为仿真时间以及仿真的,Delta,时间。同时可以从主窗口中创建列表窗口的第二个副本，两个列表窗口可以进行不同的设置，便于仿真结果的比较，同时也可以在波形比较时对相应得数据进行列表对比。,源文件窗口,源文件窗口主要用来显示和编辑,HDL,源文件代码。,ModelSim,源文件窗口是一个很优秀的硬件描述语言编辑工具，在这个窗口中可以显示文件的行号，同时可以使用“新建”按钮打开语言模板来方便源代码的编写，语言模板会根据编写的源文件的类型自动调整。,波形窗口,就像列表窗口可以用来查看仿真结果一样，波形窗口也可以用来显示仿真波形，并且比列表窗口更直观，所以波形窗口是最常用的仿真窗口之一。波形窗口一般分为,3,个不同区域，分别用来显示信号名称以及路径，光标所在位置信号的当前值、波形等。,4.1.4,ModelSim,调试功能,在波形窗口中监视信号，查看仿真的波形,改变当前目录到要变异的文件所在的目录,建立工作库并编译相关源文件,加载设计的激励文件,向波形窗口中添加项目，即要监视的信号,缩放波形显示,在波形窗口中使用光标,保存波形窗口格式,4.1.4,ModelSim,调试功能,使用断点、断点设置方法,在源文件窗口中打开要调试的源文件，找到要设置断点的地方,在要设置断点的行的红色行号后面单击鼠标左键，行号后出现的红色圆圈表示断点设置成功。,当仿真被断点停止后可以查看信号当前值,在信号窗口中查看各个信号的当前值,在源程序窗口中，将光标悬停在需要查看的信号上，会出现一个注释说明信号当前值,可以通过主窗口命令台中使用,examine,查看,4.1.5,功能仿真,功能仿真需要的文件,1,设计,HDL,源代码：可以使,VHDL,语言或,Verilog,语言。,2,测试激励代码：根据设计要求输入,/,输出的激励程序,3,仿真模型,/,库：根据设计内调用的器件供应商提供的模块而定，如：,FIFO,、,ADD_SUB,等,仿真步骤,以,2,选,1,多路器为例给出详细步骤,1.,启动,modelsim,软件,先在,c,盘建立文件夹,count4,在,modelsim,中选择,File-Change Directory,在弹出的,Choose folder,对话框中设置目录路径为,c:/XXXX,2.,建立工程,在,modelsim,中建立,project,选择,File-New-Project.,在,Project Name,栏中填写你的项目名字，建议和你的顶层文件名字一致。,Project Location,是你的工作目录，你可通过,Brose,按钮来选择或改变。,Ddfault,Library Name,可以采用工具默认的,work,。,Workspace,窗口的,library,中就会出现,work,库,.,18,19,3.,为工程添加文件,工程建立后,选择,Add,Exsiting,File,后，根据相应提示将文件加到该,Project,中,20,21,4.,编译文件,编译（包括源代码和库文件的编译）。编译可点击,Comlile,Comlile,All,来完成。,5.,装载文件,(1),双击,libray,中,work,中的,t,装载,(2),点击,simulate start simulation,按右图设置,点击,ok,22,6.,开始仿真,点击,workspace,下的,sim,点击,count_tp,选择,add,add to wave,然后点,run all,开始仿真,23,7.,退出仿真,在仿真调试完成后退出仿真,在主窗口中选择,simulate,end simulation,24,补充,:,(1),也可以不加,testbench,仿真步骤跟前面相似,装载文件时双击,muxtop,在,sim,中点击,muxtop,add,add to wave,对输入信号,sel,、,a,、,b,编辑测试波形,点击,run-all,25,(2),我们可以在,modelsim,内直接编写,Testbench,Modelsim,提供了很多,Testbench,模板，我们直接拿过来用可以减少工作量。点,View-Source-Show Language Templates,然后会出现一个加载工程，接着你会发现在刚才的文档编辑窗口左边出现了一个,Language Templates,窗口,26,展开,Verilog,项，双击,Creat,Testbench,会出现一个创建向导选择,Specify Design Unit,工作库下的目标文件，点,Next,可以指定,Testbench,的名称以及要编译到的库等，此处我们使用默认设置直接点,Finish,。这时在,Testbench,内会出现对目标文件的各个端口的定义还有调用函数,接下来，设计者可以自己往,Testbench,内添加内容了，然后保存为,.v,格式即可。按照前面的方法把,Testbench,文件也编译到工作库中,.,4.1.6,门级仿真和时序仿真,仿真需要的文件,1,综合布局布线生成的网表文件,2,测试激励,3,元件库,Altera,仿真库的位置为,X:alteraquartus80edasim_lib,4,时序仿真的话，还需要具有时延时延信息的反标文件（,sdf,）,门级仿真有两种方法,(1),工程编译成功后自动启动,Modelsim,运行门级仿真,(2),先在,quartus,中生成网表文件和时延文件,然后调用,modelsim,进行仿真,工程编译成功后自动启动,Modelsim,运行门级仿真,1.Quartus,中设置仿真工具,打开,quartus,建立工程,选择,Assignments|EDA Tool Settings,，选择左栏的,“,Simulation,”,设置如下,:,然后，我们单击下方的,“,More Settings,”,按钮，弹出,“,More Settings,”,对话框,.,这种门级仿真的,testbench,有两种方法生成,(1),自己手动编写,testbench,t.v,然后点击,quartus,的,start compilation,开始编译,我们会发现,QuartusII,状态栏多出两项,“,EDA,Netlist,Writer,”,和,“,EDA Simulation Tool,”,在,modelsim,中我们可以看到,modelsim,自动把仿真所需要元件库库文件加了进来,不用我们手动加入,同时仿真结果也出来了,.,退出,ModelSim,后，,QuartusII,才完成全部编译,运行,ModelSim,后会弹出“,Finish,Vsim,”,对话框，单击“否”,(2),利用,quartus,II,生成,testbench,文件,在,quartus,II,界面选择,File,New,新建一个波形文件,编辑仿真信号,的激励源,最后保存带有激励信号的波形文件,.,转换,:,Quartus,II,提供了把,.,vwf,文件转换成,.,vt,的功能,选择主菜单,File,Export,可以保存为,.,vt,或者,.v,文件,对仿真没有影响,先在,quartus,中生成网表文件和时延文件,然后调用,modelsim,进行仿真,Quartus,II,中设置仿真工具,more settings,也不用设置,设置完后,成功编译,quartus,II,会自动在当前,project,目录下生成一个,simulation,目录,在该目录下有一个,Modelsim,的文件夹,此文件夹下有仿真所需要的网表文件及延时反标文件,.,如果使用,vhdl,语言,则网表文件是,.,vho,反标文件是,.,sdo,;,如果使用,verilog,语言,则网表文件是,.,vo,sdf,文件也是,.,sdo,.,这个时候的,testbench,最好是自己手动编写的,这里是,t.v,Modelsim,后仿真主要步骤,建立库并映射库到物理目录；编译,Testbench,；执行仿真。,建立库,仿真库是存储已编译设计单元的目录，,modelsim,中有两类仿真库，一种是工作库，默认的库名为,work,另一种是资源库。,Work,库下包含当前工程下所有已经编译过的文件。所以编译前一定要建一个,work,库，而且只能建一个,work,库。资源库存放,work,库中已经编译文件所要调用的资源，这样的资源可能有很多，它们被放在不同的资源库内,.,映射库用于将已经预编译好的文件所在的目录映射为一个,modelsim,可识别的库，库内的文件应该是已经编译过的，在,Workspace,窗口内展开该库应该能看见这些文件，如果是没有编译过的文件在库内是看不见的,。,在,Modelsim,中加入,Quartus,的仿真库有两种方法,:,1.,自己新建一个库,用来存放仿真需要调用的仿真文件,2.,把,Altera,的器件加到了,work,这个,library,里,利用方法,1,进行后仿真,1.,在,modelsim,中建立,project,与功能仿真相似,建立工程,muxtop,并加入文件,muxtop.vo,t.v,库文件,cycloneii_atoms.v,此时就不需要源代码文件了,.,在成功建立,Project,后，,Modelsim,会,增加一个页面，点击,Modelsim,左下角,的,Library,点击,FileNewLibrary,。在在,Library Name,中输入库名，该名应和,Altera,的库名保持一致。这里取名为,cycloneii,所需编译的库因所用,HDL,语言的不同而不同。假设用,tratix,器件，对,Verilog,语言，则需编译,STRATIX_ATOMS.,文件。对,VHDL,，所要编译的库文件为,STRATIX_ATOMS.VHD,和,STRATIX_ATOMS_COMPONENTS.VHD,；,2.,编译库文件和网表,完成以上进程后,点击,workspace,下方的,project,选择,cycloneii_atoms.v,设置其属性如下,然后对,cycloneii_atoms.v,单独编译,编译后可看到,cycloneii,库里有很很多文件,这些都是仿真是要用到的,然后分别编译,muxtop.vo,t.v,3.,仿真准备,已经准备了仿真所需要的所有的文件,.,选择,simulatestart,simulation.,单击,libraries,标签,单击,add,按纽,将刚才建立的,cycloneii,加入,在,design,标签栏中做如下设置,如果是对时序仿真,还要加入,sdf,文件,单击,sdf,再单击,add,将生成的,.,sdo,文件找到，加入,.,sdo,文件后,做如下设置,:,在,Apply to Region,框内填入反标文件所对应的模块。,Count_tp,为测试激励程序，,mycount,为被仿真的模块在激励程序中的例化名字。单击,ok,将,sdf,文件加入，然后单击,load,，就可已开始仿真了。,利用方法,2,进行后仿真,把,Altera,的器件加到了,work,这个,library,里,把需要的,altera,仿真库拷贝到你要编译的文件所在的文件夹里。先编译这个文件，等于是把,Altera,的器件加到了,work,这个,library,里。然后再在,library,下编译你要用的文件就可以了。这样方便些,也不用建立新库了。,如何仿真,altera,中的,megacore,呢,?,跟上面所讲的仿真没什么差别,仿真,megacore,在时,一般要用到,altera,仿真库中的,220model.v,和,altera_mf.v,以,fifo,为例,:,用,MEGA,生成一个,FIFO.V,并添加到,modelsim,工程中必须为,FIFO.V,添加支撑文件,(,这几个问题建要比,FIFO.V,先编译,),位于,.alteraquartus80edasim_lib,要添加的文件如下,:220model.v,altera_mf.v,cycloneii_atoms.v,(,这个是根据你,altera,的,Fpga,器件决定,),详细操作步骤可见文档,PLL,在,MODELSIM SE,中的仿真步骤,利用,modelsim,进行系统仿真,以,LED,实验为例,在,quartus,中建立工程,在,sopc,builder,中建立系统,如下,:,点击,generate,前设置,modelsim,路径,然后,generate,选择,“,File|SOPC Builder Setup,”,选择,ModelSim,安装目录下的,“,Win32,”,文件,单击“Run Nios II IDE”按钮运行NiosII IDE,新建工程,源代码如下,#include,system.h,#include,altera_avalon_pio_regs.h,#include,alt_types.h,int,main(,void,)_attribute_(weak,alias(,alt_main,);,int,alt_main,(,void,),alt_u8 led=0 x2;,alt_u8 dir=0;,volatile,int,pio_led_data,=0;,volatile,int,i;,while,(1),if,(led&0 x81),dir=(dir 0 x1);,if,(dir),led=,led,1;,else,led=,led,1;,pio_led_data,=led;,IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(PIO_LED_BASE,pio_led_data,);,i=0;,while,(i10),i+;,return,0;,编译前进行一些设置，右击工程名选择,“,System Library Properties,”,，在对话框中选择,“,Small C library,”,，否则应用程序文件太大，,“,ram_0,”,空间不够。然后，选择,“,Project|Build all,”,进行编译。,运行,ModelSim,进行仿真。选择,“,Run|Run,”,，选择,“,NiosII,ModelSim,”,单击左下角,“,New,”,。工程为,“,hello_led_0,”,。,单击“,Run”,ModelSim,运行,在,Transcript,窗口中输入命令“,s”,回车，该命令是把所有设计文件加载到工程中,再执行,“,c,”,回车，对工程进行重编译。然后，执行,“,w,”,回车命令，建立波形文件。把,“,Wave,”,窗口中所有信号全部删除，然后在,“,Objects,”,窗口中选择仿真信号,“,clk,”,、,“,reset_n,”,和,“,out_from_the_pio_led,”,右击添加到,“,wave,”,窗口中。,4.2,Quartus,II,和,ModelSim,联合仿真,4.2.1 EDA,工具使用方法,1.EDA,工具选项,2.,为工程设置,EDA,工具,3.,执行仿真,（,1,）方法一,（,2,）方法二,4.2.2,ModelSim,仿真实例,