Testbench編寫指南（3）模塊化工程的仿真方法

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Testbench編寫指南（3）模塊化工程的仿真方法

仿真第1個(gè)子模塊

加入第N個(gè)子模塊

多模塊聯(lián)合仿真

1. 第一種方法

2. 第二種方法

使用Quartus+ModelSim

第3篇的題材是模塊化工程的仿真方法。現(xiàn)在只要是功能比較完善、規(guī)模比較大的FPGA設(shè)計(jì)都會(huì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法。本文介紹在模塊化設(shè)計(jì)過程中編寫testbench并仿真的方法，Vivado對此有很好的特性支持，使用Quartus+ModelSim也可以達(dá)到同樣的效果。

仿真第1個(gè)子模塊

在開始設(shè)計(jì)前，根據(jù)設(shè)計(jì)劃分好各功能模塊（為了敘述方便，這里以對“FPGA數(shù)字信號(hào)處理（十三）鎖相環(huán)位同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)”中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)仿真為例）。編寫好第一個(gè)子模塊（本例中為雙相時(shí)鐘生成模塊），在Vivado中添加仿真sim文件，編寫testbench：

`timescale 1ns / 1ps //----------------------------------------------------- // 雙相時(shí)鐘信號(hào)生成模塊測試 //----------------------------------------------------- module clk_gen_sim; reg clk, rst; wire clk_d1, clk_d2; clk_gen i1 ( .clk(clk), //32MHz系統(tǒng)時(shí)鐘 .rst(rst), //高電平有效復(fù)位信號(hào) .clk_d1(clk_d1), //時(shí)鐘1 .clk_d2(clk_d2) //時(shí)鐘2 ); always #10 clk = ~clk; initial begin clk = 1'b1; rst = 1'b1; #50; rst = 1'b0; #1000; $stop; end endmodule

綜合正確后，點(diǎn)擊“Run Simulation”->“Run Behavioral Simulation”進(jìn)行行為仿真，仿真結(jié)果如下圖：

??仿真結(jié)果正確（即功能與預(yù)期相符），則表明該子模塊設(shè)計(jì)正確，可以開始下一個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)和仿真。

加入第N個(gè)子模塊

和上節(jié)一樣，設(shè)計(jì)好一個(gè)子模塊，則添加一個(gè)仿真激勵(lì)testbench文件，在仿真中確認(rèn)功能正確性。最終的仿真文件清單如下所示：

??Vivado對多模塊、多文件的仿真提供了很好的特性支持。上面有多個(gè)testbench文件，分別對不同的模塊進(jìn)行仿真。當(dāng)仿真好第一個(gè)模塊后，需要仿真第二個(gè)模塊時(shí)，對第一個(gè)模塊對應(yīng)的testbench點(diǎn)右鍵->“Disable File”，并將第二個(gè)模塊對應(yīng)的testbench點(diǎn)右鍵->“Set as Top”（當(dāng)狀態(tài)為Enable的仿真文件只有一個(gè)時(shí)會(huì)自動(dòng)設(shè)置為Top），如下圖所示：

??如果想要重新仿真先前的模塊，在testbench文件上點(diǎn)右鍵->“Enable File”即可重新將其置為有效。通過這樣的方法可以完成所有模塊的仿真。

多模塊聯(lián)合仿真

我們知道，模塊化設(shè)計(jì)的代碼，各個(gè)模塊之間的聯(lián)系是非常緊密的。對于簡單的設(shè)計(jì)還比較好，可以像上節(jié)一樣每個(gè)模塊單獨(dú)測試，各自編寫testbench也并不復(fù)雜。而更多的設(shè)計(jì)在仿真時(shí)我們期望能直接使用第一個(gè)模塊產(chǎn)生的信號(hào)，作為第二個(gè)模塊的測試激勵(lì)，即多模塊聯(lián)合仿真。比如在“FPGA綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)（七）基于DDC的兩路信號(hào)相位差檢測”中，在仿真DDC模塊（數(shù)字下變頻）時(shí)顯然更希望直接使用信號(hào)生成模塊（signal_gen）中產(chǎn)生的信號(hào)作為激勵(lì)，而不是另外在testbench中生成一個(gè)信號(hào)作為激勵(lì)。否則不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也沒有測試到模塊之間連接的正確性。
??方法有兩個(gè)：第一個(gè)是先編寫好設(shè)計(jì)的頂層模塊，不斷的將子模塊實(shí)例化到頂層模塊中，只對頂層模塊做仿真；第二個(gè)是在testbench中把需要的子模塊都實(shí)例化好。

1. 第一種方法

Vivado可以觀察模塊的內(nèi)部信號(hào)，在運(yùn)行頂層模塊的仿真后，Scope窗口內(nèi)顯示了頂層模塊內(nèi)包含的所有子模塊。如下圖所示：

??仿真波形窗口內(nèi)默認(rèn)只顯示頂層模塊的接口和在testbench文件中定義的變量。如果要觀察子模塊內(nèi)部的信號(hào)，在子模塊上右鍵->“Add to Wave Window”，即可將相關(guān)信號(hào)添加到波形窗口。
??借助于Vivado的這個(gè)特性，可以在設(shè)計(jì)過程中不斷在頂層模塊中實(shí)例化子模塊，達(dá)到多模塊聯(lián)合仿真的目的。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是在編寫testbench代碼上更省力，缺點(diǎn)是只有一個(gè)頂層模塊的testbench，無法對各個(gè)子模塊進(jìn)行單獨(dú)測試。

2. 第二種方法

在仿真一個(gè)子模塊時(shí)希望用到其它子模塊的輸出信號(hào)，將兩者都在testbench中實(shí)例化即可。和下面testbench代碼類似：

`timescale 1ns / 1ps module clk_iq_sim; reg clk, rst; wire clk_d1, clk_d2; wire clk_i, clk_q; clk_gen i1 ( .clk(clk), //32MHz系統(tǒng)時(shí)鐘 .rst(rst), //高電平有效復(fù)位信號(hào) .clk_d1(clk_d1), //時(shí)鐘1 .clk_d2(clk_d2) //時(shí)鐘2 ); /*使用clk_gen模塊的輸出信號(hào)作為該模塊的輸入激勵(lì)*/ clk_iq i2 ( .clk(clk), //32MHz系統(tǒng)時(shí)鐘 .rst(rst), //高電平有效復(fù)位信號(hào) .clk_d1(clk_d1), //時(shí)鐘1 .clk_d2(clk_d2), //時(shí)鐘2 .clk_i(clk_i), .clk_q(clk_q) ); always #10 clk = ~clk; initial begin clk = 1'b1; rst = 1'b1; #50; rst = 1'b0; #1000; $stop; end endmodule

這樣做的好處是仍然可以保持每一個(gè)子模塊都有一個(gè)對應(yīng)的仿真激勵(lì)文件，更方便功能測試和文件管理。尤其在經(jīng)常需要修改和運(yùn)行仿真的設(shè)計(jì)中，單獨(dú)測試一個(gè)模塊的運(yùn)行時(shí)間比運(yùn)行總體的頂層模塊仿真要節(jié)省不少時(shí)間。

使用Quartus+ModelSim

Vivado自帶的仿真（Vivado Simulation）已經(jīng)足夠好用，而使用Quartus時(shí)，由于其自帶的波形仿真工具并不方便，經(jīng)常需要調(diào)用ModelSim來仿真。使用Quartus+ModelSim也可以達(dá)到上面的效果。
??多仿真文件的管理在Quartus主界面的Assignments菜單->Settings窗口中，如下圖所示：

??點(diǎn)擊EDA Tool Settings下的Simulation，在Test Benches窗口中可以添加和管理多個(gè)testbench文件。在Compile test bench的下拉菜單里選擇指定的一個(gè)testbench，調(diào)用ModelSim仿真時(shí)會(huì)讀取相應(yīng)的文件。
??ModelSim仿真過程中也可以觀察到頂層模塊內(nèi)部子模塊的信號(hào)。在sim-Default窗口下可以看到頂層模塊和子模塊之間的實(shí)例化信息，選中相應(yīng)的子模塊，在Objects窗口（如果沒有則在ModelSim主界面的View菜單中選中打開）下會(huì)顯示出該子模塊的相關(guān)信號(hào)。
??對需要顯示的信號(hào)點(diǎn)右鍵->“Add to”->“Wave”->“Selected Signals”，即可添加到波形窗口。點(diǎn)擊“Run-All”重新運(yùn)行仿真，新添加信號(hào)的波形便會(huì)顯示出來。

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