FPGA 設(shè)計流程包括設(shè)計輸入,，仿真，綜合,，生成,，板級驗證等很多階段。在整個設(shè)計流程中,，完成設(shè)計輸入并成功進(jìn)行編譯僅能說明設(shè)計符合一定的語法規(guī)范,，并不能說明設(shè)計功能的正確性，這時就需要通過仿真對設(shè)計進(jìn)行驗證。在FPGA 設(shè)計中,，仿真一般分為功能仿真（前仿真）和時序仿真（后仿真）,。功能仿真又叫邏輯仿真，是指在不考慮器件延時和布線延時的理想情況下對源代碼進(jìn)行邏輯功能的驗證,；而時序仿真是在布局布線后進(jìn)行,，它與特定的器件有關(guān)，又包含了器件和布線的延時信息,，主要驗證程序在目標(biāo)器件中的時序關(guān)系,。在有些開發(fā)環(huán)境中，如 Xilinx ISE 中,，除了上述的兩種基本仿真外,，還包括綜合后仿真，轉(zhuǎn)換（post-translate）仿真,，映射后（post-map）仿真等,，這樣做完每一步都可進(jìn)行仿真驗證，從而保證設(shè)計的正確性,。

   ModelSim 是Mentor Graphics 子公司MentorTechnology 的產(chǎn)品,，是當(dāng)今最通用的FPGA 仿真器之一。ModelSim 功能強(qiáng)大,，它支持FPGA 設(shè)計的各個階段的仿真,，不僅支持VHDL 仿真，Verilog仿真,，而且支持VHDL 和Verilog 混合仿真,。它不僅能做仿真，還能夠?qū)Τ绦蜻M(jìn)行調(diào)試,，測試代碼覆蓋率,，對波形進(jìn)行比較等。ModelSim 有很多版本,，像ModelSim/SE 是首要版本,， 除此之外還有ModelSim/XE 和ModelSim/AE，分別是為Xilinx公司和Altera 公司提供的OEM 版,，其中已包含各公司的庫文件,，故用特定公司OEM 版進(jìn)行仿真時就不需編譯該公司的庫了。

用ModelSim 進(jìn)行功能仿真 　

   進(jìn)行功能仿真首先要檢查設(shè)計的語法是否正確,；其次檢查代碼是否達(dá)到設(shè)計的功能要求,。下文主要介紹仿真步驟和測試激勵的加載。

仿真步驟

（1）建立庫并映射庫到物理目錄

因為用ModelSim 進(jìn)行仿真是建立在仿真庫的基礎(chǔ)上的（此處進(jìn)行的是功能仿真,，因而不用編譯特定廠商的庫）,，所以首先要建立庫并把庫映射到實際的物理路徑,。通常用戶編譯的文件都放在work庫中，所以必須先建立work 庫,。有兩種方法建立并映射庫,，第一種方法是通過圖形界面，在菜單Design→Create a New Library 彈出對話框,，如圖1 所示,。在Library Name 中輸入work，如果建立其它庫,，可以輸入其它名字,。Library Map to 是映射的物理路徑。第二種方法是用命令行的形式,，建立庫用ModelSim>vlib<庫名>,，映射庫用ModelSim> vmap ， 如建立并映射庫work,，就可以在ModelSim 主窗口命令提示符下輸入

vlib work

vmap work work

（2）編譯源代碼

該步驟主要檢查源文件的語法錯誤,。實現(xiàn)方法有兩種，一是通過菜單Design→Compile,，出現(xiàn)選擇源文件對話框,，選擇要編譯的源文件，編譯即可,；二是通過命令行方式,，這一步對于VHDL 和Verilog 所使用的命令是不一樣的，對于VHDL 代碼用vcom-work.vhd.vhd ,， 對于Verilog 代碼用vlog-work.v.v,，文件按出現(xiàn)的先后順序編譯，且支持增量編譯,。編譯后的文件會放在缺省當(dāng)前work 庫中,。

（3）啟動仿真器

該步驟主要是把所有仿真的文件加載到當(dāng)前的仿真環(huán)境中。實現(xiàn)的方法兩種,，一是通過菜單Design→Load Design,，出現(xiàn)加載對話框，選擇要仿真的程序即可,；二是通過命令行的形式vsim-lib ， 這條命令對于VHDL 和Verilog 都一樣,。

（4）執(zhí)行仿真

該步驟是正式執(zhí)行仿真了,，在仿真前最重要的一個步驟就是加載激勵，如要對下面的加法器進(jìn)行仿真,，加法器實體說明如下：

entityAdd is

port(D1: in std_logic_vector(7 downto 0),；--輸入

D2: in std_logic_vector(7 downto 0)；--輸入

D0: out std_logic_vector(7 downto 0)；--輸出

CE: in std_logic,；-使能,，低有效

Clk: in std_logic)；--時鐘

endAdd;

測試激勵的加載　

激勵的加載有四種方法：

（1）命令行方式

這種方法是通過在命令行下直接輸入命令給信號加載激勵,，然后進(jìn)行仿真,。如要對上面的加法器進(jìn)行仿真，則輸入如下命令：

Vsim –t ps work.add

//加載work 庫中的實體add,，時間分辨率為ps

Add wave –hex D1

Add wave –hex D2

Add wave –hex D0

Add wave ce

Add wave clk

//把信號加載到波形窗口,，hex 表示以16進(jìn)制顯示

Force ce 0 //對ce 加激勵為0

Force clk 0 0，1 25 –r 50 //對clk 加載激勵

Force D1 16#2 //對D1 加載16 進(jìn)制數(shù)2

Force D2 16#1 //對D2 加載16 進(jìn)制數(shù)1

Run 100 //運行100 個時間單位

如果要仿真其它數(shù)據(jù),，在命令行中改變激勵

就可以了,，仿真的結(jié)果如圖2 所示。

（2）宏文件法

這種方法相當(dāng)于DOS 的批處理,。它把所有的命令保存為以do 為后綴名的文件中,，稱為宏文件。執(zhí)行仿真時只要選擇菜單Marco → ExecuteMarco,，然后選擇相應(yīng)的宏文件執(zhí)行即可,，或者在命令行中輸入do<宏文件名>。執(zhí)行仿真的結(jié)果如圖2 所示,。

（3）測試文件法

上述兩種方法只適合驗證數(shù)據(jù)量小的程序,，對程序進(jìn)行簡單驗證，如果要驗證的數(shù)據(jù)量較大,，

上述兩種方法就比較麻煩,，現(xiàn)在被廣泛采用的是測試文件法。這種方法其實是要設(shè)計者自己編寫測試文件,，把要驗證的程序當(dāng)成測試程序的一個模塊,，在測試文件中對要驗證的程序加載激勵。以下就是針對上面加發(fā)器的測試文件：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all

use ieee.std_logic_signed.all

entity tb is

end tb

architecture a_tb of tb is

component Add

port(D1 : in std_logic_vector(7 downto 0);

D2 : in std_logic_vector(7 downto 0);

D0 : out std_logic_vector(7 downto 0);

CE : in std_logic;

Clk: in std_logic);

end component;

signal D1 : std_logic_vector(7 downto 0) :=(other => ‘1’);

signal D2 : std_logic_vector(7 downto 0) :=(other => ‘1’);

signal D0 : std_logic_vector(7 downto 0) :=(other => ‘0’);

signal CE : std_logic := ’0’;

signal Clk : std_logic

begin

dut : Add

port map(D1 => D1,，

D2 => D2,，

D0 => D0，

CE => CE,，

Clk => Clk);

Clk <= not Clk after 25 ns;

process

begin

wait until Clk = ‘1’ and Clk’event;

D1 <= D1+1;

D2 <= D2+2;

end process;

end a_tb;

用這個測試文件產(chǎn)生的仿真波形如圖3 所示：

這種方法可以仿真大量的數(shù)據(jù),，對程序進(jìn)行比較全面的仿真。

（4）textio 法

方法（3）產(chǎn)生的激勵數(shù)據(jù)一般很有規(guī)律,，也容易分析,，但同時也可能造成某些情況無法檢測到。所以做仿真時若希望驗證一些沒有規(guī)律的數(shù)據(jù),，則可以用 textio 方法實現(xiàn),。實際上它的輸入激勵是存儲在dat 文件中的,，在測試文件中讀入這些數(shù)據(jù)，如果用VHDL 編寫程序,，需要textio 庫和VHDL93 標(biāo)準(zhǔn)的支持,，限于篇幅這里就不詳細(xì)介紹，詳情請參見有關(guān)文獻(xiàn),。

用ModelSim 進(jìn)行時序仿真 　

時序仿真是FPGA 設(shè)計的重要步驟之一,，它通常是在做完布局布線后進(jìn)行，仿真中包含布局布線產(chǎn)生的延時信息,。時序仿真的方法和步驟和功能仿真基本相同,，但有兩點需要注意：一是一般布局布線后生成的網(wǎng)表并不包含timing 數(shù)據(jù)，會用一個SDF（Standard Delay Format）文件來存儲timing數(shù)據(jù),，它通常是由布局布線工具產(chǎn)生,，在做時序仿真時要用到。上面啟動仿真器加載時不僅要加載布局布線后生成的源文件,，還要加載SDF 文件,。二是在用ModelSim SE 版本時，由于不包含特定廠商的庫文件,，而在做時序仿真時恰恰與特定的器件相關(guān),，要用到這些庫，為了提高仿真速度,，通常需要提前編譯這些庫,，而且不同廠商編譯庫的方法不盡相同，本文以編譯Xilnx 公司的庫為例,，介紹編譯庫的方法,。

這種方法是通過在Xilinx 的網(wǎng)站上下載的xilinx_lib_4.tcl 腳本進(jìn)行的，選擇菜單中的執(zhí)行宏或者在命令行中輸入source xilinx_lib_4.tcl,，會彈出圖4 所示的對話框,，在選擇所要編譯的語言后，Xilinx Software Version,、編譯的庫,、Xilinx 路徑和Modelsim 路徑后就可以進(jìn)行庫的編譯了。其中較重要的是simprim（做時序仿真時用）和Xilinxcorelib（在進(jìn)行Xilinx core 的電路仿真時用）,，這些庫還有對應(yīng)的Verilog 版本。在進(jìn)行庫編譯之前,，最好把ModelSim 安裝目錄下的modelsim.ini 文件的只讀屬性去掉,，這樣可以把編譯后的庫信息加到該文件中，具體信息如下：

simprim = C:/Modeltech_5.5b/simprim

simprims_ver = C:/Modeltech_5.5b/simprims_ver

xilinxcorelib = C:/ Modeltech_5.5b/xilinxcorelib

xilinxcorelib_ver = C:/

Modeltech_5.5b/xilinxcorelib_ver

結(jié)束語 　

通過對FPGA 設(shè)計中功能仿真和時序仿真的詳細(xì)介紹,，有助于熟練應(yīng)用ModelSim 進(jìn)行一系列仿真,，同時也拋磚引玉地引導(dǎo)讀者在實際中發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用ModelSim 的調(diào)試程序、比較波形等其他功能,。