FPGA学习笔记（7）——Vivado Simulator仿真软件的使用

1 仿真概述

Simulator仿真虽然不需要使用硬件资源，但是需要编写激励文件，也就是testbench代码。

仿真是设计输入后的第一个步骤，也是实现后的最后一个步骤，可以分为功能仿真（RTL仿真）和时序仿真。

功能仿真：验证电路的功能是否符合设计要求，不考虑电路门延迟与线延迟。
时序仿真：布局布线后仿真，电路映射到特定的工艺环境以后，综合考虑FPGA芯片的路径延迟与门延迟，验证电路能否在一定时序条件下满足设计构想的过程，能较好地反映芯片实际工况。

2 Testbench文件

激励程序是输入设计顶层模块的信号波形，TB文件的结构如下：

typescript 复制代码

`timescale 仿真单位/仿真精度
module test_bench();
// 通常testbench没有输入与输出端口
// 信号或变量定义声明
//使用initial初始化信号电平
//使用always语句产生时钟波形
//例化设计模块 模块名 例化名(...)
endmodule

`timescale 1ns/1ps较为常见。
在以上仿真时间情况下，# 100表示延迟100ns。
如果是`timescale 1ps/1ps，# 100表示延迟100ps，延迟只看timescale的仿真单位。

3 试验步骤

本节使用之前的LED交替闪烁试验工程作为模板，添加tb文件进行仿真试验。

3.1 编写testbench文件

1、在Sources窗口右键Simulation Sources，Add Sources。

2、新建源文件：Create Source File，文件取名为tb_test_project.v。

3、编写测试文件：

查看test_project模块的输入输出，tb中如果对端口使用always或initial进行赋值，则使用reg类型；如果对端口使用assign进行赋值，则使用wire进行赋值。

复制代码

// 000_test_project.v

module test_project(
    input sys_clk,
    input sys_rst_n,
    
    output [1:0] led
);

// ......

模块中初始化赋值使用initial，begin和end一头一尾相对应。#200为延时200ns，模拟复位按钮按下一段时间后弹起。

如果sys_clk时钟周期为20ns，则时钟频率为50MHz，在一个时钟周期内高电平和低电平分别占据10ns。因此采用always语句来模拟时钟。

typescript 复制代码

// tb_test_project.v

`timescale 1ns / 1ps

module tb_test_project();

// 信号或变量定义声明
reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
wire [1:0] led;

//使用initial初始化信号电平
initial begin
    sys_clk = 1'b0;
    sys_rst_n = 1'b0;
    #200 
    sys_rst_n = 1'b1;
end

//使用always语句产生时钟波形
always #10 sys_clk = ~sys_clk;

//例化设计模块 模块名 例化名(...)
test_project u_test_project(
    .sys_clk(sys_clk),
    .sys_rst_n(sys_rst_n),
    .led(led)
);

endmodule

3.2 开始仿真

点击Vivado左侧窗口Simulation的Run Simulation，选择Run Behavioral Simulation。

五个选项分别为：

Run Behavioral Simulation：运行行为仿真（功能是否完整）。
Run Post-Synthesis Functional Simulation：运行综合后的功能仿真
Run Post-Synthesis Timing Simulation：运行综合后的时序仿真
Run Post-Implementation Functional Simulation：运行实现后的功能仿真
Run Post-Implementation Timing Simulation：运行实现后的时序仿真

运行一段时间后，可以观察到波形如下所示：

如果需要查看cnt计数器的值，点击u_test_project，然后将cnt拖动到右侧波形图中，然后重新运行仿真就可以看到cnt的变化情况。

运行较长时间后，可以在波形图中观察到当cnt的值为25000000后，led的值发生改变。

Ctrl+S就可以保存波形信息为.wcfg格式。