FPGA仿真方法介紹及其仿真程序設計

一、概述

FPGA仿真方法：

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

（2）測試平臺法：為設計模塊專門設計的仿真程序，可以實現對被測模塊自動輸入測試矢量，并通過波形輸出文件記錄輸出，便于將仿真結果記錄歸檔和比較。

二、仿真程序的設計方法

1 仿真的三個階段

（1）行為仿真：目的是驗證系統的數學模型和行為是否正確，對系統的描述的抽象程度較高。在行為仿真時，VHDL的語法語句都可以執行。

（2）RTL仿真：目的是使被仿真模塊符合邏輯綜合工具的要求，使其能生成門級邏輯電路。在RTL仿真時，不能使用VHDL中一些不可綜合和難以綜合的語句和數據類型。該級仿真不考慮慣性延時，但要仿真傳輸延時。

（3）門級仿真：門級電路的仿真主要是驗證系統的工作速度，慣性延時僅僅是仿真的時候有用在綜合的時候將被忽略。

2 仿真程序的內容

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

3 仿真要注意的地方

（1）仿真信號可以由程序直接產生，也可以用TEXTIO文件產生后讀入。

（2）仿真程序中可以簡化實體描述，省略有關端口的描述。仿真程序實體描述的簡化形式為：
ENTITY 測試平臺名 IS
END 測試平臺名；
（3）對于功能仿真結果的判斷，可以用斷言語句（ASSORT）描述。

（4）為了比較和分析電子系統的功能，尋求實現指標的最佳結構，往往利用一個測試平臺對實體的不同結構進行仿真，一般是應用配置語句為同一被測實體選用多個結構體。

CONFIGURATION 測試平臺名 OF 被測實體名 IS
FOR 被測實體的A的結構體名
END FOR;
END 測試平臺名；
同樣，若選用結構體B，則配置語句可寫為：
CONFIGURATION 測試平臺名 OF 被測實體名 IS
FOR 被測實體的B的結構體名
END FOR;
END 測試平臺名；

4 VHDL仿真程序結構

測試平臺僅僅是用于仿真，因此可以利用所有的行為描述語言進行描述，下表表示了一個測試平臺所包含的部分，典型的測試平臺將包括測試結果和錯誤報告結果。

（1）產生時鐘信號

-- 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

提供仿真信號可以有兩種方法：絕對時間仿真和相對時間仿真。在絕對時間仿真方法中，仿真時間只是相對于零時刻的仿真時間。在相對時間仿真方法中，仿真的時間首先提供一個初值，在后繼的時間設置中相對于該初始時間進行事件動作。

絕對時間仿真：

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;
相對時間仿真：
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）顯示結果

VHDL提供標準的std_textio函數包把輸入輸出結果顯示在終端上。

5 簡單的仿真程序

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建立測試程序

在由仿真程序直接產生輸入信號的方法中，測試矢量是仿真程序的一個部分，如果系統比較復雜，測試矢量的數目非常大，修改測試矢量時就必須修改程序，重新編譯和仿真。工作量大。因此，在測試矢量非常大的時候可以用TEXTIO的方法來進行仿真。

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

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