陳志剛

摘要：電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員希望電子器件有更小的功耗、更強(qiáng)的功能、更低的價(jià)格，這就要求將更多的功能集成到單一的芯片。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中廣泛使用VHDL語言，首先利用VHDL完成電子產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再通過EDA軟件對VHDL程序進(jìn)行編譯，產(chǎn)生SDF文件，ModelSim通過調(diào)用SDF文件，使用Testbench生成相應(yīng)的測試激勵(lì)。以24進(jìn)制計(jì)數(shù)為例，應(yīng)用聯(lián)合仿真，有效解決不同種類激勵(lì)源的產(chǎn)生、驗(yàn)證自動(dòng)化、平臺移植等問題。

關(guān)鍵詞：ModelSim;QuartusII;Testbench;聯(lián)合仿真

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）31-0286-02

1概述

ModelSim是工業(yè)界廣泛使用的仿真軟件，由Me.or Graph-ics公司開發(fā)?？梢元?dú)立完成硬件描述語言代碼的功能仿真，還能結(jié)合FPGA/CPLD開發(fā)軟件進(jìn)行時(shí)序仿真，得到包含信號傳輸時(shí)序的結(jié)果。同時(shí)可以對System c、c語言進(jìn)行調(diào)試與仿真，設(shè)計(jì)過程中可以采取許多靈活的手段來完成設(shè)計(jì)工作，大多數(shù)FP-GA/CPLD供應(yīng)商軟件都提供與ModelSim的接口。Altera公司的FPGA/CPLD器件的集成度小到300門，大到超過1000萬門，可以用來設(shè)計(jì)、集成現(xiàn)有的大多數(shù)邏輯器件，直到實(shí)現(xiàn)單片系統(tǒng)，而且其開發(fā)系統(tǒng)簡單易學(xué)、功能強(qiáng)大，學(xué)校計(jì)劃執(zhí)行非常好，占據(jù)了國內(nèi)大量的市場，很多學(xué)校和公司都使用Ahera公司的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。QuartuslI適合通過畫波形圖做初級的仿真，但從Quartusl110.0起不再提供對波形仿真的支掙”。本文使用QuartusII13與ModelSim10軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過高電平異步復(fù)位24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)說明二者聯(lián)合仿真的方法。

224進(jìn)制計(jì)數(shù)器的VHDL設(shè)計(jì)

目前，常用的HDL硬件描述語言主要有VHDL和VerilogHDL，其中VerilogHDL語言具有簡捷、高效、易學(xué)易用、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，適用于RTL級和門電路級的描述;VHDL語言主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。VHDL作為IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，已成為電子工程領(lǐng)域的實(shí)際通用硬件描述語言。

為了適應(yīng)實(shí)際數(shù)字電路的工作模式，VHDL在多個(gè)語句中并行和按順序同時(shí)描述所有可能的事件。因此VHDL程序執(zhí)行方式與其他計(jì)算機(jī)語言不同，它不是按順序一條一條執(zhí)行每一條語句，而是有并行執(zhí)行的語句同時(shí)也有按順序執(zhí)行的語句，VHDL程序由一組并行語句構(gòu)成，并行語句中有順序語句，這就要求電路設(shè)計(jì)人員擺脫一維思維模式，完成多維并行思維的VHDL編程。

在綜合分析電子系統(tǒng)任務(wù)書發(fā)布的系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)后，根據(jù)已獲取的知識和數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)總體功能合理分解為多個(gè)子系統(tǒng)，定義好各個(gè)子系統(tǒng)的接口，并將子系統(tǒng)塊互連，形成系統(tǒng)框圖，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)的根據(jù)元件選擇實(shí)現(xiàn)方法有根本不同。各個(gè)設(shè)計(jì)小組分別設(shè)計(jì)子系統(tǒng)。電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接取決于電子系統(tǒng)總體方案的選擇。在設(shè)計(jì)整體方案時(shí)，應(yīng)該多思考，分析更多，并進(jìn)行更多比較。綜合考慮性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、電路簡單、成本低、功耗低、測試維護(hù)方便等因素，選擇最佳方案。通過計(jì)算機(jī)下載到硬件芯片中，實(shí)現(xiàn)電路功能，極大加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程，可以使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場。

計(jì)數(shù)器是一種基本時(shí)序邏輯電路，主要用來對輸入的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行累計(jì)和記憶，兼有分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等功能，交通燈、時(shí)鐘等控制器的核心就是計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)異步高電平復(fù)位24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的VHDL主要程序如下：

啟動(dòng)EDA設(shè)計(jì)軟件Quartuslll3，新建項(xiàng)目工程，將24進(jìn)制計(jì)數(shù)器程序輸入QuartuslI并編譯查錯(cuò)直至沒有語法錯(cuò)誤，生成網(wǎng)表文件和SDF文件，供ModelSim調(diào)用。

3利用ModelSim進(jìn)行仿真及分析

測試平臺（Testbench）是驗(yàn)證基于VHDL的FPGA設(shè)計(jì)的有效方法。一個(gè)完整的測試平臺由三部分組成：信號定義、模塊接口和功能代碼。測試仿真的流程為對被測試設(shè)計(jì)的頂層接口進(jìn)行例化、給輸入接口加激勵(lì)、判斷輸出是與否滿足設(shè)計(jì)要求。通過觀察仿真輸出波形驗(yàn)證所寫RTL代碼正確與否，若符合預(yù)期，則驗(yàn)證結(jié)束，否則修改代碼直至與預(yù)期相同。雖然畫波形圖的方法比Testbench更加直觀且易于上手，但畫波形圖只能產(chǎn)生有限的輸入信號，從而只能完成較初級的功能測試。Testbench可以產(chǎn)生不同種類激勵(lì)信號，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于繪圖波形提供的功能覆蓋，可重用性及平臺移植性都好。對于復(fù)雜設(shè)計(jì)來說，可能的狀態(tài)較多，仿真耗時(shí)很長，若只是通過畫波形圖來人為觀測，比對功能是否實(shí)現(xiàn)的效率會很低，而Testbench是以程序語言的方式進(jìn)行描述的，在仿真過程中可以使用還原點(diǎn)和仿真恢復(fù)，以減少不必要的仿真，提高仿真效率，通過波形比較，將配套的“.dif”和“.rul”文件添加到對話框中，就可以快速地查看比較的波形結(jié)果，定位代碼的問題所在，測試臺的模擬速度比波形圖快幾個(gè)數(shù)量級。在本文的設(shè)計(jì)中，用VHDL語言來設(shè)計(jì)測試平臺（Testbench），程序主要內(nèi)容如下：

啟動(dòng)ModelSim軟件，先建立一個(gè)work庫后，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目project，編譯相應(yīng)設(shè)備的庫文件，將QuartuslI生成的包含設(shè)計(jì)中的延遲信息和時(shí)序約束信息SDF仿真文件添加到Model-Sim工程中，編譯上述Testbench文件，運(yùn)行仿真，結(jié)果如圖l所示。

4結(jié)束語

VHDL語言能進(jìn)行系統(tǒng)級的硬件描述是它的一個(gè)最突出的優(yōu)點(diǎn)，充分利用VHDL語言的易操作性和安全性，可以改善電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步，加快產(chǎn)品更新，提高市場占有率。根據(jù)上述的設(shè)計(jì)及聯(lián)合仿真方法，通過QuartuslI編譯VHDL源文件，生成仿真文件，再利用VHDL語言寫測試平臺，啟動(dòng)ModelSim進(jìn)行模擬。這樣二種軟件分工明確，從圖1可知，仿真的結(jié)果正確，達(dá)到預(yù)期目的。充分發(fā)揮ModelSim仿真速度更快、功能更強(qiáng)的特性，易于查錯(cuò)，可以大大減少開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率。