ModelSim入门及Testbench编写——合理利用仿真才是王道

 ModelSim入门及Testbench编写——合理利用仿真才是王道

在入职之前曾自学了一段时间的Verilog，后来因为工作的缘故鲜有接触，就搁置下来了。后来因偶然的机会需要参与一个CPLD的小项目，又开始从零学起，有些讽刺的是，不知道如何入手工具的我又回到EDN上翻之前自己写的博文，才重新熟悉了Quartus的使用流程。现在得了些空闲，最重要的是有了些许想法，终于重新打起精神来料理一个博客。
重温了基本的Quartus操作和语法后，需要对手头的工作进行仿真验证，这时候抖去尘土才发现世界已变，Quartus 9.x自带的Vector Waveform已经淘汰掉了，所以又硬着头皮来学ModelSim。预备工作在上篇文章中介绍了，不再累述。
现在就开始一步步入手ModelSim，并通过与Quartus无缝衔接实现仿真。本文使用了ModelSim10.0c + QuartusII 10.0，其他版本基本雷同，请自行研究。
看不清图的点开看大图！
1.设置第三方EDA工具
在Tools -> Options中设置ModelSim的安装路径，注意要设置到win32文件夹（64位软件对应的就是win64）。



 
建立一个工程（依然以加法器为例）。在Assignments -> Settings中设置仿真工具为ModelSim。这样Quartus就能无缝调用ModelSim了。



 
当然也可以在建立工程的时候就设置仿真工具。



 
2.编写Testbench
说到Testbench，你可以叫它Testbench，或者Testbenches，但不是Test Bench。说起来，就连Quartus也没注意这个问题，至于原因嘛参见Common Mistakes In Technical Texts一文。文章中还列举了些别的错误用语，包括Flip-flop不能写成Flipflop，等等。文章链接：
http://www.sunburst-design.com/papers/Technical_Text_Mistakes.pdf
 
我们可以通过Quartus自动生成一个Testbench的模板，选择Processing -> Start -> Start Test Bench Template Writer，等待完成后打开刚才生成的Testbench，默认是保存在simulation\modelsim文件夹下的.vt格式文件。 



 
打开vt文件后可以看到Quartus已经为我们完成了一些基本工作，包括端口部分的代码和接口变量的声明，我们要做的就是在这个做好的模具里添加我们需要的测试代码。
一个最基本的Testbench包含三个部分，信号定义、模块接口和功能代码。
‘timescale 1ns/ 1ps表示仿真的单位时间为1ns，精度为1ps。想要进行仿真首先要规定时间单位，而且最好在Testbench里面统一规定时间单位，而不要在工程代码里定义，因为不同的模块如果时间单位不同可能会为仿真带来一些问题，而timescale本身对综合也就是实际电路没有影响。



 
其实Testbench本身可以看做一个模块或者设备（本例中的模块名为add_vlg_tst），和你自己编写的模块进行通信。通过Testbench模块向待测模块输出信号作为激励，同时接收从待测模块输出的信号来查看结果。因此，在待测模块中的reg型信号在Testbench中就变成了wire，待测模块中的wire型信号在Testbench中则对应为reg型。那么inout怎么办呢，inout型信号也要设成wire，同时要用一个reg型信号作为输出寄存器，同时设置一个三态门，由一个使能信号控制，如：assign inout_sig
= out_en ? out_reg : 1’bz;



 
处理完接口和声明之后，需要自己设置一些激励信号，激励信号的内容就是肯能会输入到待测模块中的波形。下面我们就来写一个简单的测试程序。
首先需要一个复位信号：
initial
begin
   rst_n = 0;
   #100 rst_n = 1;
end
initial开头的这个过程在Testbench中只执行一次，#100表示延时了100个时间单位，我们之前已经通过timescale进行了设置，这里延时了100ns。这就有点类似于C语言了，代码通过延时被顺序执行，rst_n在0时刻为低电平（也就是逻辑0），100ns后变成高电平，从而形成了一个上电复位。
 
其次是时钟，使用always模块来完成：
initial
begin
   mclk = 0;
end
 
always
begin
#10 mclk = ~mclk;
end
always模块中的代码会不断重复执行，利用这个特点，每10ns翻转一次mclk，只是这样还不行，还要给mclk一个初值，就是上面的initial语句。如此便可以生成一个周期为20ns，频率50MHz的方波信号，作为本例的系统时钟。
 
当然，这个时钟也可以通过initial模块实现。只需添加一个while(1)，即死循环。
initial
begin
mclk = 0;
   while(1)
#10 mclk = ~mclk;
end
Testbench中的很多操作都是不可综合的，同时它的风格也可以比较随意。
 
设置完时钟和复位，就需要设置输入信号：
initial
begin
   a_in = 1;
   b_in = 3;
   #200 a_in = 2;
   b_in = 0;
   #200 a_in = 3;
   b_in = 3;
end
注意这里a_in = 1和b_in = 3是同时发生的，也就是并行的，之后延时200ns，a_in = 2同时b_in = 0，如前面所说，想要实现顺序操作，就需要使用延时，如果两个语句间没有延时，就表示同时执行。还有一点，这个initial语句块和负责复位的initial语句块也是并行的，并且都是从0时刻开始。也就是说，0时刻后经过100ns rst_n复位，再经过100ns（从0时刻起），a_in = 2被执行。
至此，测试程序也完成了，让我们开始仿真吧
 
3.设置Quartus并调用仿真工具
运行仿真之前，还要设置一下。在Simulation选项卡中配置仿真选项，可以配置仿真语言、仿真时间的格式以及输出目录。选中mpile test bench，点击Test Benches打开Test Benches对话框。



 
点击New新建一个Test BenchSetting，填入Testbench模块的名称（这里是add_vlg_tst），酌情设置仿真运行的时间（这里设为800ns，只是进入ModelSim后仿真自动执行的时间，不设或随意设置也行），并将刚才编写的Testbench添加进来。



 
一路OK后，选择Tools -> Run EDA Simulation Tools，有两个选项，RTL Simulation是RTL行为级仿真，只验证功能是否正确，与在哪个芯片上运行无关，仿真前至少需要执行一次Analysis&Synthesis；Gate Level Simulation是门级仿真，涉及到具体的芯片，并且仿真前需要编译工程，在门级仿真中ModelSim会将布局布线后的门级延时体现在波形中，在测试一个具体的工程模块时，应当先进行RTL仿真，之后还要进行门级仿真。



 
4.ModelSim工具的基本操作
运行RTL Simulation进入ModelSim界面。在这里介绍几个比较重要的部分。
在view菜单中，可以显示和隐藏各种工具窗口。其中Structure窗口显示了测试模块和待测模块的结构：



 
点击不同的模块，在Objects窗口中可以查看选中模块中的信号，因为除了端口（port）以外，还有很多内部信号默认是不显示波形的，通过将需要的信号拖到Wave窗口中，就能够显示。



 
工具栏中的 

 部分是用来控制仿真运行的，左侧红框中的是复位，在文本框里设置要执行的时间，点击右侧红框中的按钮就可以执行了。其他的请自行摸索或参看Help文件。
如果面对一大堆0101感觉很晕，可以在信号列表里选中信号，右键选择要显示的数据格式。



而Wave窗口的左下角有几个小按钮，是用来设置游标的，通过添加游标，可以测量相应的时间，也可以在这里配置时间刻度的格式。



在Wave波形图中，使用滚轮和鼠标右键可以很方便的缩放或选择波形区域，下图就是这个全加器工程的波形图，在复位之后，c_out的值等于a_in与b_in的和，并在时钟上升沿输出。



 
完整的工程文件（含Testbench）传上：