FPGA仿真方法介绍及其仿真程序设计

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一、概述

FPGA仿真方法：

（1）交互式仿真方法：利用EDA工具的仿真器进行仿真，使用方便，但输入输出不便于记录规档，当输入量较多时不便于观察和比较。

（2）测试平台法：为设计模块专门设计的仿真程序，可以实现对被测模块自动输入测试矢量，并通过波形输出文件记录输出，便于将仿真结果记录归档和比较。

二、仿真程序的设计方法

1 仿真的三个阶段

（1）行为仿真：目的是验证系统的数学模型和行为是否正确，对系统的描述的抽象程度较高。在行为仿真时，VHDL的语法语句都可以执行。

（2）RTL仿真：目的是使被仿真模块符合逻辑综合工具的要求，使其能生成门级逻辑电路。在RTL仿真时，不能使用VHDL中一些不可综合和难以综合的语句和数据类型。该级仿真不考虑惯性延时，但要仿真传输延时。

（3）门级仿真：门级电路的仿真主要是验证系统的工作速度，惯性延时仅仅是仿真的时候有用在综合的时候将被忽略。

2 仿真程序的内容

（1）被测实体的引入。
（2）被测实体仿真信号的输入。
（3）被测实体工作状态的激活。
（4）被测实体信号的输出
（5）被测实体功能仿真的结果比较，并给出辨别信息
（6）被测实体的仿真波形比较处理

3 仿真要注意的地方

（1）仿真信号可以由程序直接产生，也可以用TEXTIO文件产生后读入。

（2）仿真程序中可以简化实体描述，省略有关端口的描述。仿真程序实体描述的简化形式为：
ENTITY 测试平台名 IS
END 测试平台名；
（3）对于功能仿真结果的判断，可以用断言语句（ASSORT）描述。

（4）为了比较和分析电子系统的功能，寻求实现指标的最佳结构，往往利用一个测试平台对实体的不同结构进行仿真，一般是应用配置语句为同一被测实体选用多个结构体。

CONFIGURATION 测试平台名 OF 被测实体名 IS
FOR 被测实体的A的结构体名
END FOR;
END 测试平台名；
同样，若选用结构体B，则配置语句可写为：
CONFIGURATION 测试平台名 OF 被测实体名 IS
FOR 被测实体的B的结构体名
END FOR;
END 测试平台名；

4 VHDL仿真程序结构

测试平台仅仅是用于仿真，因此可以利用所有的行为描述语言进行描述，下表表示了一个测试平台所包含的部分，典型的测试平台将包括测试结果和错误报告结果。

（1）产生时钟信号

-- 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）提供仿真信号

提供仿真信号可以有两种方法：绝对时间仿真和相对时间仿真。在绝对时间仿真方法中，仿真时间只是相对于零时刻的仿真时间。在相对时间仿真方法中，仿真的时间首先提供一个初值，在后继的时间设置中相对于该初始时间进行事件动作。

绝对时间仿真：

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;
相对时间仿真：
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）显示结果

VHDL提供标准的std_textio函数包把输入输出结果显示在终端上。

5 简单的仿真程序

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建立测试程序

在由仿真程序直接产生输入信号的方法中，测试矢量是仿真程序的一个部分，如果系统比较复杂，测试矢量的数目非常大，修改测试矢量时就必须修改程序，重新编译和仿真。工作量大。因此，在测试矢量非常大的时候可以用TEXTIO的方法来进行仿真。

TEXTIO仿真方法：测试矢量从仿真程序中分离出来，单独存于一个文件中（即TEXTIO文件），在仿真时，根据定时要求按行读出，并赋予相应的输入信号。这种方法允许采用同一个测试平台，通过不同的测试矢量文件进行不同的仿真。值得注意的是，测试矢量文件的读取，需要利用TEXTIO程序包的功能。在TEXTIO程序包中，包含有对文本文件进行读写的过程和函数。

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