开源Verilog仿真和波形模拟工具iVerilog初步教程

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硬件编程最让人无语的就是综合与实现的耗时，这个时间非常微妙，既不像软件开发，一个进度条的时间基本就能搞定，也不像AI调参，可以一行代码调一天，而是刚好卡在十几分钟，几乎啥也做不了。所以，为了让自己尽量少一点浪费时间，事先对verilog的代码进行检查和仿真就显得格外重要，Icarus Verilog就是为此而生。

iVerilog是一款开源免费的Verilog编译器和仿真器，安装时注意勾选将可执行文件夹加入环境变量，安装完成后，可在命令行中用where语句检查下面三个工具是否存在，若安装成功，会返回其对应的路径。

bash 复制代码

where iverilog
where vvp
where gtkwave

这三个工具的功能为

【iverilog】对verilog和VHDL文件进行语法检查，并进行编译，生成可执行文件
【vvp】根据可执行文件，生成仿真波形文件
【gtkwave】打开仿真波形文件，图形化显示波形

接下来，我们就逐一试用这三个功能

文件准备

我们需要准备一段测试代码和一段仿真代码，前者是我们希望实现的某个功能，后者用于模拟仿真环境，从而对我们的代码进行测试。

以最简单的控制led灯为例，下面代码的功能是，让led每隔15个时钟周期进行亮暗变化。当然，如果真的有LED灯，我们是没发看到这种高频变化的规律的，但从波形仿真的角度来说，这个频率刚好合适。

verilog 复制代码

module led(
    input clk,
    input rst_n,

    output reg led
);

reg [4:0] cnt;

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        cnt <= 0;
    else 
      cnt <= cnt==15 ? 0 : cnt+1;
end

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        led <= 0;
    else if(cnt == 15)
        led <= !led;
end

endmodule

上述代码需要两个输入信号clk, rst_n和一个输出信号led，那么在仿真环境中，也需要对这三个信号进行定义。代码如下

verilog 复制代码

`timescale 1ns/100ps

module led_tb;

parameter PERIOD = 10;

reg SYSCLK;
reg NSYSRESET;

initial begin
    SYSCLK = 1'b0;
    NSYSRESET = 1'b0;
end

/*iverilog */
initial begin
    $dumpfile("wave.vcd");    //生成的vcd文件名称
    $dumpvars(0, led_tb);    //tb模块名称
end
/*iverilog */

initial begin
    #(PERIOD * 10 )
        NSYSRESET = 1'b1;
    #1000
        $stop;
end

always @(SYSCLK)
    #(PERIOD / 2.0) SYSCLK <= !SYSCLK;

led u_led (
    .rst_n(NSYSRESET),
    .clk(SYSCLK),
    .led( led)
);

endmodule

其中，被/*iverilog*/框起来的区域，是iverilog特有的语法，其中【dumpfile】用于生成波形文件，【dumpvars】指定要记录的波形，0表示记录led_tb模块及其子模块中的所有变量。

仿真

编译和仿真的语句如下

bash 复制代码

iverilog -o wave led_tb.v led.v

其语法与gcc相似，【-o wave】代表输出名为wave的文件，后面【led_tb.v】和【led.v】即为准备编译的文件。该命令被执行后，同目录下会生成wave文件，该文件可用于生成波形。

生成波形的语句如下

bash 复制代码

vvp -n wave -lxt2

其中，【-n wave】用于指定生成波形的文件，lxt2是一种二进制格式，可以理解为vcd文件的一种。当执行完该文件后，同级目录下会生成wave.vcd文件，该文件可通过gtkwave打开，以查看波形

bash 复制代码

gtkwave wave.vcd

弹出gtkwave窗口后，点击SST侧栏中的树形图，则Signal中会出现对应的信号，双击信号，即可将其显示在右侧的波形图中。通过Ctrl键和鼠标滚轮，可以调整波形图的时间坐标，结果如下