使用vivado和Modelsim进行仿真

周四, 21 九月 2023 - 15:16

作者：米联客(milianke)

软件版本：vitis2021.1(vivado2021.1)

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用AMD-XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA

1 概述
仿真是每个初学者必须学会的一项技能，因为FPGA程序编译时间往往很长，所以对程序进行仿真就成为了校验程序正确性的最快捷的方式。

本节课，我们将通过Modelsim以及vivado两个不同软件，使用两种方法对我们上节课所生成的程序进行仿真，带读者快速掌握基本的FPGA开发技能。

2使用vivado进行仿真
相比较Modelsim仿真，我们直接使用vivado进行仿真就显得简单得多，仅仅只需要编辑好我们的Test Bench，也就是我们俗称的TB文件就可以了。

2.1添加RTL仿真文件
首先我们打开上一节课做的程序，添加RTL文件。添加RTL文件的方法跟添加verilog文件的文件方法类似

Step1:单击 Add Sources
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318165-1.png…; alt=""></center>

Step2:选择需要添加的文件类型，这里我们选择仿真类型的文件，点击Next添加确定
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318166-2.png…; alt=""></center>

Step3:点击Create File创建一个新的Test Bench文件，当然，如果你有提前写好的TB文件也可以直接点Add Files添加已有的文件。
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318167-3.png…; alt=""></center>

Step4:创建一个pll_test_TB的文件，并且文件类型选择Verilog，路径可以选择存放在工程默认路径下，米联客推荐存放在创建的FPGA工程目录的uisrc\02_sim目录下，方便管理，注意整个路径不允许出现中文。
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318168-4.png…; alt=""></center>
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318169-5.png…; alt=""></center>

Step5:点击OK确认生成文件，点击Finsh结束
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318170-6.png…; alt=""></center>

Step6:这边可以预先添加端口以及修改模块名，我们保持默认，直接点击OK即可。
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318171-7.png…; alt=""></center>

Step7:这边我们的TB文件就新建完成了，但是我们发现他跟我们的主程序"pll_test.v"是保持平行状态的。那是因为我们的TB文件里面内容为空，所以并不对我们的主程序有任何激励，也同样没有对我们的主模块进行例化，所以我们接下来就是要进行例化操作。

2.2编写RTL仿真文件
首先我们要有一个概念，我们仿真的目的是模拟代码实际运行时候的一个状态。所以我们要做的就是尽可能真实的还原我们将程序下载后，我们实际开发板的运行状态。然后使用例化的方式，将我们的信号接入我们的主程序模块，方法类似我们例化IP，所以例化的部分我们不详细讲解。

我们目前的代码比较简单，由于我们的使用的开发板的系统时钟是50M，所以我们仅仅需要模拟一个50M的系统时钟即可。

本教程具有通用性，可作为其他型号的FPGA参考学习资料，如果作为其他型号的FPGA参考使用，开发板的系统时钟存在差异，请在理解原理后适当修改，切勿生搬硬套。

由于时钟翻转我们需要保持高/低电平的状态，所以我们设置一个reg类型的寄存器"clk_i"，然后使该寄存器定时翻转。

这边我们使用一个关键词"`timescale"来控制我们仿真的精度，我们本次模拟的是一个50M的时钟，我们的周期为20ns，所以我们设置每10ns进行一次翻转，我们的仿真精度是1ns，所以我们翻装的周期设置"#10"，我们具体代码如下

`timescale 1 ns/100ps

module sim_top_tb;

reg sysclk; //时钟信号

wire [1:0] up_led; //仿真的LED 信号

pll_test u_pll_test(

.I_sysclk_p(sysclk),

.O_up_led(up_led)

);

initial

begin

sysclk = 1'b0;

end

///////////////////////////////////////////////////////////////////

// Clock generation

always #10 sysclk = ~sysclk; //duty cycle 50%, period 20 ns; Frequency 50Mhz;

endmodule

TB文件保存后，我们可以发现，文件结构又发生了变化，主程序并入了我们TB文件下，说明我们程序例化成功，可以开始仿真。
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318172-8.png…; alt=""></center>

2.3运行仿真
Step1:点击Run Behavioral Simulation
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318173-9.png…; alt=""></center>

Step2:等待数秒，我们进入仿真界面，这时候我们需要选出我们需要观察的信号，然后右键添加进我们的观察窗口，
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318174-10.pn…; alt=""></center>

Step3:添加完成后，我们需要重新开始仿真或者刷新一下我们的观察数据，然后点击run运行仿真。
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318175-11.pn…; alt=""></center>

Step4:运行后，由于我们计数器要经过一段时间比较长的计数，所以我们需要等待一段时间。通过结果可以看到经过PLL IP分频出来的时钟跟预期保持一致，LED正常翻转。
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318176-12.pn…; alt=""></center>

3使用Modelsim进行仿真
默认电脑上已经安装完成vivado以及Modelsim软件。

Step1:打开vivado，点击Tools --> Compile Simulation Libraries，生成库函数
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318177-13.pn…; alt=""></center>

Step2:生成库函数设置

Simulator选择ModelSim Simulator

Language，Library，Family选择全部（All）

Compiled library location：编译库目录，可以选择在ModelSim的安装路径下，新建一个Vivado_2021_lib的文件夹

Simulator executable path：选择ModelSim的启动路径
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318178-14.pn…; alt=""></center>

点击Compile，即可开始生成库文件，等待编译完毕。

Step3:在Vivado中添加ModelSim调用设置

Vivado --> Tools --> setting，分别设置仿真软件和仿真库
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318179-15.pn…; alt=""></center>

Step4:在Simulation中选择ModelSim来仿真并且调用之前到处的库。
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Step5:点击Run Behavioral Simulation，Modelsim正常启动
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318181-17.pn…; alt=""></center>

Step5:右键添加信号
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318182-18.pn…; alt=""></center>

Step6:先把信号复位，然后重新开始仿真
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318183-19.pn…; alt=""></center>

Step6:仿真结果无误
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/wen_zhang_/100574567-318184-20.pn…; alt=""></center>

4本章小结
本章节主要学习了两种仿真方法，并且分别对工程进行仿真。

原文链接：https://www.cnblogs.com/milianke/p/17693603.html