搭建Modelsim SE仿真环境-使用do文件仿真

本章我们介绍仿真环境搭建是基于Modelsim SE的。Modelsim有很多版本，比如说Modelsim-Altera，但是笔者还是建议大家使用Modelsim-SE，Modelsim-Altera实际是针对Altera 的OEM版本，它事先将Altera的一些IP核仿真库添加到了工具中，但功能上有一些缩减。而Modelsim-SE需要自己手动添加这些仿真库，但是功能更全，而且工作中，工程师更倾向用SE版本，因为今后的FPGA开发中我们会接触更多其他厂商的FPGA，比如Xilinx、Lattice的，遇到这些FPGA时，我们同样需要将他们的IP核的仿真库添加到Modelsim 中。

1.1.1.仿真基本概念

FPGA的仿真实际就是一个验证设计的过程，验证在“模拟的输入”的情况下，设计文件的输出是否和我们期望是一致的。这里的“模拟的输入”就是“测试激励”，设计文件就是待测设计，最终通过对输出结果的分析来验证设计的正确性。这就构成了仿真的三个基本组成部分：测试激励(Test_bench)、待测设计(DUT)和最终结果的输出验证。

       上面介绍可能还是有些抽象，我们通过一个简单的仿真例子来介绍仿真中的各个部分。大家打开我们的例程《05_clk_div_even》。

       待测设计(DUT)：首先看src文件夹下的clk_div_even.v就是我们待测设计(DUT)。这个比较好理解，就是我们设计的模块。这是一个偶数分频的例子，每次计数从0-4，计数5次，计数器clk_div_cnt会清零一次，同时输出分频信号o_clk_div翻转一次，这样每五个时钟周期，输出信号都会翻转一次，十个时钟周期后又恢复到初始状态，使得输出信号10分频。这里大家需要额外关注一下这个模块的输入和输出，输入将来是我们激励信号进来的地方。

1.  module clk_div_even

2.      (

3.          input                  i_clk        , //模块输入时钟 ,50mhz

4.          input                  i_rst_n      ,    //复位信号，低电平有效

5.          outputreg             o_clk_div         //偶数分频输出

6.      );

7.      

8.      parameter        DIV_EVEN      =10  ;   //10分频，输入50MHz，输出频率为5Mhz

9.      reg    [3:0]clk_div_cnt           ;   //分频计数器

10.//-------------------------------------------------------------------

11.//  分频计数器，每次计数到N-1时归零

12.//-------------------------------------------------------------------

13.    always @ (posedge i_clk ornegedge i_rst_n)

14.    begin

15.        if(!i_rst_n)

16.            clk_div_cnt  <=4'd0;  

17.        else    if(clk_div_cnt  ==DIV_EVEN/2-1)

18.            clk_div_cnt  <=4'd0;  

19.        else  

20.            clk_div_cnt  <=clk_div_cnt   +   4'd1;                              

21.    end

22.//-------------------------------------------------------------------

23.//  分频计数器，每次计数N/2-1时，输出分频信号翻转

24.//-------------------------------------------------------------------    

25.    always @ (posedge i_clk ornegedge i_rst_n)

26.    begin

27.        if(!i_rst_n)

28.            o_clk_div  <=1'b0;  

29.        else    if(clk_div_cnt  ==DIV_EVEN/2-1)

30.            o_clk_div  <=~o_clk_div;

31.    end   

32.endmodule

测试激励(Testbench)：Testbench是FPGA仿真的关键，Testbench可以理解为一个激励产生器。大家可以看到我们的待测设计的输入是i_clk和i_rst_n，实际在开发板上，板子上的晶振输出50MHz激励时钟信号给FPGA，同样电路中的复位电路给FPGA提供了i_rst_n的激励信号。在仿真过程中，Testbench就代替了实际的电路，通过Verilog模拟实现这些外部电路的激励信号，提供给DUT，从而通过输出验证设计。工程目录的sim文件夹下的tb_clk_div_even.v 就是我们已经编写好的Testbench。如下就是一个基本Testbench的设计。

下面从上图所示5个部分介绍Testbench基本写法。

1、`timescale 1ns/1ps 决定整个仿真中的时间单位信息，在文件中任何关于时间的信息都是基于此的，1ns表示仿真中的基本时间单位，1ps则表示仿真精度可以达到1ps。例如 #10.005表示的就是延时10.005ns。实际仿真中，精度是可以控制到0.005ns的，即5ps。

2、tb_clk_div_even() 是实际testbench的名称，同样用module定义，但是注意testbenc是没有端口描述的，这与我们待测文件DUT是不一样的。

3、激励信号和输出信号的定义，细心的同学应该可以看出，激励信号就是我们DUT文件的输入，输出信号也就是我们DUT文件的输出。不同的是在Testbench中，我们将激励信号定义为reg类型，输出信号定义为了wire类型。

4、第四部分就是产生激励信号，具体详细实现我们就不介绍了，大家可以阅读我们的文档《Testbench常用语法及技巧》，阅读之后这个地方就很容易理解了。

5、最后一部分是待测设计的实例化，在FPGA设计中，模块的实例化就类似C语言中的函数调用，我们在其他模块中调用当前模块时，就需要以实例化的方式来实现。不同的是，Verilog文件模块实例化时，我们需要标明每一个端口信号。在我们设计的Testbench中，通过模块实例化，将我们的激励信号最终传递给了待测设计文件。

输出验证：下图是我们仿真的最终输出的波形文件，可以看出输出信号o_clk_div是输入信号i_clk的10分频。

最后我们总结整个仿真过程中，各个部分之间的关系，如下图。

1.1.2.  建立Modelsim仿真工程

本节我们介绍如何建立Modelsim仿真工程，了解Modelsim仿真工具的使用。

第一步：打开Modelsim SE，点击菜单栏“File—>New—>Project”，准备新建工程。

第二步：弹出“Create Project”对话框，按下图填写仿真工程名称，以及工程的存储路径，以及默认库的的名称，这里默认库名为“work”，我们通常叫作工作库。设置好后点击OK。

这里介绍一下库的概念，即library。库是Modelsim仿真的载体，Modelsim会将仿真工程中的设计文件（DUT）和激励文件（Testbench）的编译（Compile）结果存放在work库中，在我们新建工程的时候就会带着生成一个work库，如下图在Modelsim工作区，选择Library选项卡，我们可以看到生成的work库，此时work库是空的，因为我们还没有添加并仿真设计文件和激励文件。

第三步：新建或添加设计文件，这里我们已经写好的testbench和待测模块，所以选择直接添加已存在文件即可。

第四步：依次添加testbench和待测模块文件。

第五步：编译我们的DUT和Testbench文件，如下图在工作区域选择Project选项卡，右键选择Compile—>Compile All，编译所有。

 

第六步：切回到Library，此时再看work库就不是空的了，work库里的clk_div_even和tb_clk_div_even分别是tb_clk_div_even.v（Testbench）和clk_div_even.v（DUT）的编译结果。选中Testbench仿真结果tb_clk_div_even，右键—>Simulate without Optimization，启动无优化仿真。

第七步：弹出仿真波形窗口（wave窗口），但是窗口内没有任何信号波形，工作区域多了一个sim选项卡，进入sim选项页，可以看到仿真实例clk_div_even和tb_clk_div_even。选择相应的实例，右键—>add wave，添加信号到wave窗口。

第八步：切到wave 窗口，如下图，设置仿真运行时间为100us，这个时间根据具体设计所需时间来决定，再点击旁边的，运行仿真。这样我们就可以看到输出的波形信号了，从而验证设计的正确性。

1.1.3.  使用do文件进行Modelsim仿真

上一节我们介绍了通过Modelsim建立仿真工程的方法，但是这种方法我们需要使用界面操作，这样会很费时很麻烦。这里我们介绍一种快捷的方法，通过do文件快速搭建仿真环境，只需要双击批处理文件modelsim_run.bat，就可以自动调用Modelsim，并自动完成对Testbench和待验证设计文件的编译和仿真，并且可以自动将要观察的信号添加到wave窗口。

首先打开“02_Project_Examples\05_clk_div_even\sim”文件夹，可以看到如下文件。

我们主要介绍一下前两个文件，最后一个是我们的testbench：

modelsim_run.bat文件：这是一个批处理文件，里面就一行“modelsim -do sim.do”，这是一条DOS命令，意思就是调用Modelsim工具，并在Modelsim工具中执行sim.do这个文件。

sim.do：do文件是由tcl脚本语言编写的，这个参考例程中的do文件是最基本的tcl脚本语言。下面介绍一下关键脚本语言的用法。以下是do文件的内容。

1.  vlib work       

2.  vlog  ../sim/*.v

3.  vlog  ../src/*.v

4.  vsim-t ns -novopt +notimingchecks  work.tb_clk_div_even 

5.  radix hex

6.  addwave -position insertpoint sim:/tb_clk_div_even/clk_div_even_inst/*

7.  run -all

vlib work：建立work库，相当于在上一节中新建工程时所生成的work库，后期我们编译的结果信息存放到work库中。

vlog ../sim/*.v：vlog相当于modelsim工具中的compile，“../sim/*.v ”表示编译05_clk_div_even\sim路径下所有的verilog文件。vlog ../src/*.v表示编译05_clk_div_even /src/路径下的所有verilog文件。

vsim -t  ns  -novopt  +notimingchecks  work.tb_clk_div_even：编译完成所有verilog文件后，就要启动仿真了，vsim就是启动仿真功能，vsim后面有许多关键词，这里简单说明一下，-t表示仿真时间单位为ns，-novopt表示仿真时无优化，+notimingchecks表示无时序检查，work.tb_clk_div_even表示对work库中的tb_clk_div_even进行仿真，实际相当于在界面操作时，展开work库，右键—>Simulate without Optimization，启动仿真。

radix hex ：表示要添加wave窗口的信号，以16进制的显示。

add wave–position  insertpoint  sim:/tb_clk_div_even/clk_div_even_inst/*：表示将clk_div_even_inst中的所有信号添加到wave窗口中去，执行这句以后，我们每次仿真时，就不用每次都手动去添加仿真波形了。但是这句话实际是Modelsim生成的，不需要我们自己编写。最开始我们写的do文件是不包含这条语句的，当我们运行到如下图状态时，选择要添加的信号，右键—>add wave后，下面的脚本窗口会弹出相应操作的tcl脚本语句。这样我们把这条语句赋值到我们的do文件中即可。第二次再调用sim.do文件时，就不用再手动添加波形了。

run –all :  运行全过程。当然也可以运行一段时间。run 10us 表示运行10us。

掌握这些最基本的tcl脚本，使用do文件仿真会为我们节省很多时间。后续的教程里我们都会默认以这种方式进行仿真。当然这里只是介绍了最基本的仿真脚本语言，今后我们仿真时可能还会有第三方的IP核文件，如altera的PLL、FIFO、RAM等需要添加到仿真用例中，这些我们后面在介绍IP核使用时会给大家介绍如何利用do文件仿真含有IP核的设计。

现在我们可以体验一下do文件仿真所用的时间，双击“modelsim_run.bat”，即可运行仿真。