FPGA仿真方法介紹及其仿真程序設(shè)計(jì)

一、概述

FPGA仿真方法：

（1）交互式仿真方法：利用EDA工具的仿真器進(jìn)行仿真，使用方便，但輸入輸出不便于記錄規(guī)檔，當(dāng)輸入量較多時(shí)不便于觀察和比較。

（2）測(cè)試平臺(tái)法：為設(shè)計(jì)模塊專門設(shè)計(jì)的仿真程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)模塊自動(dòng)輸入測(cè)試矢量，并通過波形輸出文件記錄輸出，便于將仿真結(jié)果記錄歸檔和比較。

二、仿真程序的設(shè)計(jì)方法

1 仿真的三個(gè)階段

（1）行為仿真：目的是驗(yàn)證系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和行為是否正確，對(duì)系統(tǒng)的描述的抽象程度較高。在行為仿真時(shí)，VHDL的語(yǔ)法語(yǔ)句都可以執(zhí)行。

（2）RTL仿真：目的是使被仿真模塊符合邏輯綜合工具的要求，使其能生成門級(jí)邏輯電路。在RTL仿真時(shí)，不能使用VHDL中一些不可綜合和難以綜合的語(yǔ)句和數(shù)據(jù)類型。該級(jí)仿真不考慮慣性延時(shí)，但要仿真?zhèn)鬏斞訒r(shí)。

（3）門級(jí)仿真：門級(jí)電路的仿真主要是驗(yàn)證系統(tǒng)的工作速度，慣性延時(shí)僅僅是仿真的時(shí)候有用在綜合的時(shí)候?qū)⒈缓雎浴?br />
2 仿真程序的內(nèi)容

（1）被測(cè)實(shí)體的引入。
（2）被測(cè)實(shí)體仿真信號(hào)的輸入。
（3）被測(cè)實(shí)體工作狀態(tài)的激活。
（4）被測(cè)實(shí)體信號(hào)的輸出
（5）被測(cè)實(shí)體功能仿真的結(jié)果比較，并給出辨別信息
（6）被測(cè)實(shí)體的仿真波形比較處理

3 仿真要注意的地方

（1）仿真信號(hào)可以由程序直接產(chǎn)生，也可以用TEXTIO文件產(chǎn)生后讀入。

（2）仿真程序中可以簡(jiǎn)化實(shí)體描述，省略有關(guān)端口的描述。仿真程序?qū)嶓w描述的簡(jiǎn)化形式為：
ENTITY 測(cè)試平臺(tái)名 IS
END 測(cè)試平臺(tái)名；
（3）對(duì)于功能仿真結(jié)果的判斷，可以用斷言語(yǔ)句（ASSORT）描述。

（4）為了比較和分析電子系統(tǒng)的功能，尋求實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的最佳結(jié)構(gòu)，往往利用一個(gè)測(cè)試平臺(tái)對(duì)實(shí)體的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，一般是應(yīng)用配置語(yǔ)句為同一被測(cè)實(shí)體選用多個(gè)結(jié)構(gòu)體。

CONFIGURATION 測(cè)試平臺(tái)名 OF 被測(cè)實(shí)體名 IS
FOR 被測(cè)實(shí)體的A的結(jié)構(gòu)體名
END FOR;
END 測(cè)試平臺(tái)名；
同樣，若選用結(jié)構(gòu)體B，則配置語(yǔ)句可寫為：
CONFIGURATION 測(cè)試平臺(tái)名 OF 被測(cè)實(shí)體名 IS
FOR 被測(cè)實(shí)體的B的結(jié)構(gòu)體名
END FOR;
END 測(cè)試平臺(tái)名；

4 VHDL仿真程序結(jié)構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)僅僅是用于仿真，因此可以利用所有的行為描述語(yǔ)言進(jìn)行描述，下表表示了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)所包含的部分，典型的測(cè)試平臺(tái)將包括測(cè)試結(jié)果和錯(cuò)誤報(bào)告結(jié)果。

（1）產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)

-- Declare a clock period constant.
Constant ClockPeriod : TIME := 10 ns;
-- Clock Generation method 1:
Clock = not Clock after ClockPeriod / 2;
-- Clock Generation method 2:
GENERATE CLOCK: process
begin
wait for (ClockPeriod / 2)
Clock = ’1’;
wait for (ClockPeriod / 2)
Clock = ’0’;
end process;

（2）提供仿真信號(hào)

提供仿真信號(hào)可以有兩種方法：絕對(duì)時(shí)間仿真和相對(duì)時(shí)間仿真。在絕對(duì)時(shí)間仿真方法中，仿真時(shí)間只是相對(duì)于零時(shí)刻的仿真時(shí)間。在相對(duì)時(shí)間仿真方法中，仿真的時(shí)間首先提供一個(gè)初值，在后繼的時(shí)間設(shè)置中相對(duì)于該初始時(shí)間進(jìn)行事件動(dòng)作。

絕對(duì)時(shí)間仿真：

MainStimulus: process begin
Reset = ’1’;
Load = ’0’;
Count_UpDn = ’0’;
wait for 100 ns;
Reset = ’0’;
wait for 20 ns;
Load = ’1’;
wait for 20 ns;
Count_UpDn = ’1’;
end process;
相對(duì)時(shí)間仿真：
Process (Clock)
Begin
If rising_edge(Clock) then
TB_Count = TB_Count + 1;
end if;
end process;
SecondStimulus: process begin
if (TB_Count = 5) then
Reset = ’1’;
Load = ’0’;
Count_UpDn = ’0’;
Else
Reset = ’0’;
Load = ‘1’;
Count_UpDn = ‘1’;
end process;
FinalStimulus: process begin
if (Count = 1100) then
Count_UpDn = ＇0＇;
report Terminal Count
Reached, now counting down.
end if;
end process;

（3）顯示結(jié)果

VHDL提供標(biāo)準(zhǔn)的std_textio函數(shù)包把輸入輸出結(jié)果顯示在終端上。

5 簡(jiǎn)單的仿真程序

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity testbench is
end entity testbench;
architecture test_reg of testbench
component shift_reg is
port (clock : in std_logic;
reset : in std_logic;
load : in std_logic;
sel : in std_logic_vector(1 downto 0);
data : in std_logic_vector(4 downto 0);
shiftreg : out std_logic_vector(4 downto 0));
end component;
signal clock, reset, load: std_logic;
signal shiftreg, data: std_logic_vector(4 downto 0);
signal sel: std_logic_vector(1 downto 0);
constant ClockPeriod : TIME := 50 ns;
begin
UUT : shift_reg port map (clock => clock, reset => reset,
load => load, data => data,
shiftreg => shiftreg);
process begin
clock = not clock after (ClockPeriod / 2);
end process;
process begin
reset = ’1’;
data = 00000;
load = ’0’;
set = 00;
wait for 200 ns;
reset = ’0’;
load = ’1’;
wait for 200 ns;
data = 00001;
wait for 100 ns;
sel = 01;
load = ’0’;
wait for 200 ns;
sel = 10;
wait for 1000 ns;
end process;
end architecture test_reg;

6 TEXTIO建立測(cè)試程序

在由仿真程序直接產(chǎn)生輸入信號(hào)的方法中，測(cè)試矢量是仿真程序的一個(gè)部分，如果系統(tǒng)比較復(fù)雜，測(cè)試矢量的數(shù)目非常大，修改測(cè)試矢量時(shí)就必須修改程序，重新編譯和仿真。工作量大。因此，在測(cè)試矢量非常大的時(shí)候可以用TEXTIO的方法來(lái)進(jìn)行仿真。

TEXTIO仿真方法：測(cè)試矢量從仿真程序中分離出來(lái)，單獨(dú)存于一個(gè)文件中（即TEXTIO文件），在仿真時(shí)，根據(jù)定時(shí)要求按行讀出，并賦予相應(yīng)的輸入信號(hào)。這種方法允許采用同一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，通過不同的測(cè)試矢量文件進(jìn)行不同的仿真。值得注意的是，測(cè)試矢量文件的讀取，需要利用TEXTIO程序包的功能。在TEXTIO程序包中，包含有對(duì)文本文件進(jìn)行讀寫的過程和函數(shù)。

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.std_logic_1164.all;
LIBRARY ieee;
USE IEEE.STD_LOGIC_TEXTIO.ALL;
USE STD.TEXTIO.ALL;
ENTITY testbench IS
END testbench;
ARCHITECTURE testbench_arch OF testbench IS
COMPONENT stopwatch